JP4724488B2 - Integrated microelectromechanical system - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS;Micro Electro Mechanical Systems)およびその製造技術に関し、特に、半導体集積回路とMEMSとを集積化した集積化マイクロエレクトロメカニカルシステムに適用して有効な技術に関するものである。 The present invention relates to a micro electro mechanical system (MEMS) and a manufacturing technique thereof, and more particularly to a technique effective when applied to an integrated micro electro mechanical system in which a semiconductor integrated circuit and a MEMS are integrated. is there.
半導体集積回路装置の高性能化及び高集積化を実現してきた微細加工技術を用いて、圧力センサ、加速度センサ等の機械的センサや微小スイッチ、振動子等の微細な機械部品、機械システムを形成するマイクロエレクトロメカニカルシステム(以下、MEMSという)技術が開発されている。MEMSはシリコン基板自体を加工するバルクMEMSと、シリコン基板の表面に薄膜を堆積してパターニングする工程を繰り返すことにより形成する表面MEMSに大別される。表面MEMSの製造工程は半導体集積回路装置の製造プロセスに近い。これらMEMS技術については例えば、応用物理、第73巻(第9号)、第1158頁から第1165頁(2004年9月、応用物理学会刊)(非特許文献1)に論じられている。 Using microfabrication technology that has realized high performance and high integration of semiconductor integrated circuit devices, mechanical sensors such as pressure sensors and acceleration sensors, micro mechanical parts such as micro switches and vibrators, and mechanical systems are formed. Microelectromechanical system (hereinafter referred to as MEMS) technology has been developed. MEMS are roughly classified into bulk MEMS for processing the silicon substrate itself and surface MEMS formed by repeating a process of depositing and patterning a thin film on the surface of the silicon substrate. The manufacturing process of the surface MEMS is close to the manufacturing process of the semiconductor integrated circuit device. These MEMS technologies are discussed in, for example, Applied Physics, Vol. 73 (No. 9), pages 1158 to 1165 (September 2004, published by Japan Society of Applied Physics) (Non-patent Document 1).
米国特許第6635506号明細書(特許文献1)には、MEMSを形成するための空洞部を形成する際、犠牲層を使用して空洞部の形状を正確に形成する技術が開示されている。 US Pat. No. 6,635,506 (Patent Document 1) discloses a technique for accurately forming the shape of a cavity using a sacrificial layer when forming the cavity for forming a MEMS.
米国特許第6667245号明細書(特許文献2)にはMEMSとしてスイッチを形成する例が開示されている。そして、集積回路の多層配線を形成するために使用される標準的な技術をこのスイッチの形成に用いることにより、低コストでスイッチを形成できるとしている。 US Pat. No. 6,667,245 (Patent Document 2) discloses an example in which a switch is formed as a MEMS. The standard technology used for forming the multilayer wiring of the integrated circuit is used for forming the switch, so that the switch can be formed at low cost.
米国特許出願公開第2004/0145056号明細書(特許文献3)には、標準的なCMOSFET(Complementary Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)(以下、CMOSと略す)製造技術を使用して形成された金属層および犠牲層を用いてMEMSを形成することが記載されている。 US Patent Application Publication No. 2004/0145056 (Patent Document 3) describes a metal layer formed using a standard CMOSFET (Complementary Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) (hereinafter abbreviated as CMOS) manufacturing technique. And forming a MEMS using a sacrificial layer is described.
米国特許第5596219号明細書(特許文献4)には、集積回路とセンサ(アクチュエータ)とをモノリシックに形成する技術が開示されている。このセンサは、例えばポリシリコンよりなるセンサ層に表面マイクロマシン技術を使用して形成されている。
例えば、MEMSのセンサ応用においては、外力等による機構の機械的変形が、ピエゾ抵抗変化や容量変化として電気的信号に変換され出力される。さらに、通常、上記出力は、半導体集積回路装置(LSI;Large Scale Integration、LSIにCMOSも含まれる)によって信号処理される。また、MEMSの振動子応用において、これら振動子の入出力は高周波回路に接続される。このように、MEMSはLSIと組み合わせて利用されることが多い。また、MEMSは機械的に動作するだけでなく、その応用の多くでは異なる物理量(多くの場合電気信号と機械的変位)の変換が必要である。この変換機構をトランスデューサと呼ぶ。 For example, in MEMS sensor applications, mechanical deformation of a mechanism due to external force or the like is converted into an electrical signal and output as a piezoresistance change or a capacitance change. Further, the output is usually signal-processed by a semiconductor integrated circuit device (LSI; Large Scale Integration, LSI includes a CMOS). Moreover, in MEMS vibrator applications, the input and output of these vibrators are connected to a high frequency circuit. As described above, MEMS is often used in combination with LSI. Also, MEMS not only operate mechanically, but many of its applications require conversion of different physical quantities (often electrical signals and mechanical displacements). This conversion mechanism is called a transducer.
このようにMEMSを信号処理用LSIと組み合わせて使用する場合、各々が別チップとなるため、システム全体の小型化が困難となる。MEMSとLSIは通常どちらもシリコン基板上に形成されるので、両者を同一基板上でモノリシックに集積しようという方向は自然であり、既に一部製品に適用されている。 When the MEMS is used in combination with the signal processing LSI as described above, each of them becomes a separate chip, so that it is difficult to downsize the entire system. Since both MEMS and LSI are normally formed on a silicon substrate, the direction of monolithically integrating both on the same substrate is natural and has already been applied to some products.
例えば、厚さ2μmから4μm程度のポリシリコン膜からなる錘を用いた加速度センサや振動ジャイロが容量電圧変換回路やオペアンプ等のアナログ回路と集積されている。センサ機構部(シリコン基板上に一部空隙を介して配置される)とアナログ回路部は基板平面の異なる(隣接する)領域に配置される。センサ機構部はその全体をカバーにより覆われ、封止される。 For example, an acceleration sensor or a vibration gyro using a weight made of a polysilicon film having a thickness of about 2 μm to 4 μm is integrated with an analog circuit such as a capacitance voltage conversion circuit or an operational amplifier. The sensor mechanism part (partially disposed on the silicon substrate via a gap) and the analog circuit part are disposed in different (adjacent) regions on the substrate plane. The entire sensor mechanism is covered with a cover and sealed.
また、表面を反射面とする可動の金属膜をマトリクス状に配置し、その各々の向きを静電気的に制御して光のオンオフを行うことにより、画像デバイスを実現するデジタルミラーデバイス(Digital Mirror Device)が製品化されている。このデバイスの上部は、光を透過する透明板により封止される。 In addition, a movable metal film whose surface is a reflective surface is arranged in a matrix, and each direction is electrostatically controlled to turn on and off light, thereby realizing a digital mirror device (Digital Mirror Device) that realizes an image device. ) Has been commercialized. The upper part of the device is sealed with a transparent plate that transmits light.
また、いわゆるCuダマシン配線プロセスによりLSIの上部にRF-MEMS(スイッチ、フィルタ)を形成する技術が報告されている。この技術では、可動部と空洞部の両方をダマシン法で形成する。そして、可動部を形成後、封止を行なう方法についても記載されている。さらに、LSIの多層配線を用いてMEMS機構部及びトランスデューサ(信号部)を形成する方法が報告されている。 In addition, a technique for forming an RF-MEMS (switch, filter) on an LSI by a so-called Cu damascene wiring process has been reported. In this technique, both the movable part and the cavity part are formed by the damascene method. And it describes also about the method of sealing after forming a movable part. Further, a method for forming a MEMS mechanism part and a transducer (signal part) using a multilayer wiring of LSI has been reported.
以上は、いずれも表面MEMSの範疇にあるが、バルクMEMSをLSIと集積化する技術も報告されている。バルクMEMSでは、シリコンウェハ自体が可動部となるので、封止・実装を行なうためには、通常、他の基板と貼り合わせを行なう必要がある。 The above is in the category of surface MEMS, but techniques for integrating bulk MEMS with LSI have also been reported. In bulk MEMS, since the silicon wafer itself becomes a movable part, in order to perform sealing and mounting, it is usually necessary to bond to another substrate.
解決しようとする問題点は、第1に従来のMEMSでは特別な空洞形成工程および特別な封止工程が必要となる点である。すなわち、MEMSの製造において、通常のCMOS製造技術の他に特別な技術が必要となる点である。特に、振動子等では大きな振動Q値を得るため、真空封止が必要であり、かつ、長期間にわたり特性を維持するために機密性が重要である。これは、LSIとMEMSを混載した集積化MEMSの場合においても同様である。多層配線を用いて機構部を形成した例においても、特殊な応用を除いて通常、その全体を封止することが好ましく、この場合、MEMSを形成した基板と蓋となる別の基板を貼り合せる必要がある。また、空洞部をダマシン工程で作製する例では、層間絶縁膜中への犠牲層の埋め込み等の特殊な工程が必要である。このように、従来のMEMSの製造においては、通常のCMOS製造技術の他に特別な技術が必要となる。 The problem to be solved is that the conventional MEMS requires a special cavity forming process and a special sealing process. In other words, a special technique is required in addition to the normal CMOS manufacturing technique in manufacturing the MEMS. In particular, in a vibrator or the like, vacuum sealing is necessary to obtain a large vibration Q value, and confidentiality is important for maintaining characteristics over a long period of time. The same applies to an integrated MEMS in which LSI and MEMS are mixedly mounted. Even in the case where the mechanism portion is formed using multilayer wiring, it is usually preferable to seal the whole except for special applications. In this case, the substrate on which the MEMS is formed and another substrate to be a lid are bonded together. There is a need. Further, in the example in which the cavity is formed by the damascene process, a special process such as embedding a sacrificial layer in the interlayer insulating film is necessary. As described above, in manufacturing the conventional MEMS, a special technique is required in addition to the normal CMOS manufacturing technique.
第2に、加速度センサやジャイロに要求される十分な質量を持つ錘を形成するには、標準的なLSIで用いられる膜よりはるかに厚い膜を必要とする点である。これは、LSIとMEMSを混載した集積化MEMSの場合、以下の理由から特に困難である。まず、標準的なLSIプロセスでは応力の制御された厚膜を形成するのが難しい。可能であったとしても、熱処理温度条件等から、これを微細なCMOSを形成するプロセスと両立させることは困難である。さらに、SOI(Silicon On Insulator)等を用いた場合、深孔エッチング等の特殊なプロセスが必要となり、プロセスが複雑、かつ、コストが高くなる。 Second, in order to form a weight having a sufficient mass required for acceleration sensors and gyros, a film much thicker than a film used in a standard LSI is required. This is particularly difficult in the case of integrated MEMS in which LSI and MEMS are mixedly mounted for the following reasons. First, it is difficult to form a thick film with controlled stress by a standard LSI process. Even if possible, it is difficult to make this compatible with the process of forming a fine CMOS due to the heat treatment temperature condition and the like. Further, when SOI (Silicon On Insulator) or the like is used, a special process such as deep hole etching is required, which makes the process complicated and expensive.
第3に、LSIとMEMSを混載した集積化MEMSにおいては、その製造プロセスが複雑化する、または、チップ面積が増大するという点である。 Third, in an integrated MEMS in which LSI and MEMS are mixedly mounted, the manufacturing process becomes complicated or the chip area increases.
本発明の目的は、半導体集積回路装置(CMOS等)と微小機械とを半導体基板上にモノリシックに集積化した集積化MEMSの製造技術において、半導体集積回路装置の通常の製造技術とは異なる特別な工程を使用することなく集積化MEMSを製造できる技術を提供することにある。 An object of the present invention is a special manufacturing technique for an integrated MEMS in which a semiconductor integrated circuit device (CMOS or the like) and a micromachine are monolithically integrated on a semiconductor substrate, which is different from a normal manufacturing technique for a semiconductor integrated circuit device. An object of the present invention is to provide a technology capable of manufacturing an integrated MEMS without using a process.
また、本発明の他の目的は、加速度センサあるいはジャイロを含む集積化MEMSの製造技術において、加速度センサやジャイロに要求される十分な質量を持つ錘を簡便かつ低コストで製造できる技術を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a technology capable of easily and inexpensively manufacturing a weight having a sufficient mass required for an acceleration sensor or a gyro in the manufacturing technology of an integrated MEMS including an acceleration sensor or a gyro. There is.
また、本発明の他の目的は、集積化MEMSの製造プロセスを簡略化し、製品の製造コストを低減できる技術を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a technique capable of simplifying the manufacturing process of the integrated MEMS and reducing the manufacturing cost of the product.
また、本発明の他の目的は、集積化MEMSの小型化を図ることができる技術を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a technique capable of reducing the size of an integrated MEMS.
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。 Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
本発明による集積化マイクロエレクトロメカニカルシステムは、半導体集積回路装置の製造技術を用いて形成する微小機械と半導体集積回路装置とを半導体基板上に形成した集積化マイクロエレクトロメカニカルシステムであって、前記微小機械は、(a)配線間に形成される層間絶縁膜の一部を除去することにより形成され、かつ、封止された空洞部と、(b)前記空洞部の内部に形成された構造体とを備え、前記空洞部は、MOSFETの配線形成技術を用いて形成され、かつ、前記MOSFETの配線形成技術を用いて封止されているものである。 An integrated microelectromechanical system according to the present invention is an integrated microelectromechanical system in which a micromachine and a semiconductor integrated circuit device formed using a manufacturing technology of a semiconductor integrated circuit device are formed on a semiconductor substrate. The machine includes: (a) a sealed cavity formed by removing a part of an interlayer insulating film formed between wirings; and (b) a structure formed inside the cavity. The cavity is formed using a MOSFET wiring formation technique and is sealed using the MOSFET wiring formation technique.
また、本発明による集積化マイクロエレクトロメカニカルシステムの製造方法は、半導体集積回路装置の製造技術を用いて形成する微小機械と半導体集積回路装置とを半導体基板上に形成する集積化マイクロエレクトロメカニカルシステムの製造方法であって、(a)前記微小機械の一部である構造体を形成する工程と、(b)前記構造体を覆う層を形成する工程と、(c)前記構造体を内部に含む空洞部を形成する工程と、(d)前記空洞部を封止する工程とを備え、前記(a)工程、前記(b)工程、前記(c)工程および前記(d)工程は、MOSFETの配線形成技術を用いるものである。 Further, an integrated microelectromechanical system manufacturing method according to the present invention is an integrated microelectromechanical system in which a micromachine and a semiconductor integrated circuit device are formed on a semiconductor substrate by using a semiconductor integrated circuit device manufacturing technique. A manufacturing method comprising: (a) a step of forming a structure that is a part of the micromachine; (b) a step of forming a layer that covers the structure; and (c) the structure being included therein. A step of forming a cavity, and (d) a step of sealing the cavity, wherein the step (a), the step (b), the step (c), and the step (d) A wiring formation technique is used.
本発明は、標準的なCMOSの製造工程、またはCMOS製造工程の一部である標準的な配線工程を用いて、(特別な封止工程を行なうことなく)MEMS(微小機械)の構造体を設置するための空洞部を形成することを第1の主要な特徴とする。具体的には、まずCMOSプロセス(多層配線プロセス)を用いて層間絶縁膜内にMEMSの構造体の一部である可動部兼電極等を形成する。そして、その上部に微小孔を有する(金属)薄膜層を形成した後、微小孔を介して上記可動部兼電極周辺の層間絶縁膜をエッチング除去し、最終的に微小孔を封止する。 The present invention uses a standard CMOS manufacturing process, or a standard wiring process that is part of a CMOS manufacturing process, to make a MEMS (micromachine) structure (without a special sealing process). The first main feature is to form a cavity for installation. Specifically, first, a movable part / electrode or the like which is a part of a MEMS structure is formed in an interlayer insulating film using a CMOS process (multilayer wiring process). Then, after forming a (metal) thin film layer having a microhole on the upper part, the interlayer insulating film around the movable portion and electrode is removed by etching through the microhole, and the microhole is finally sealed.
このとき、薄膜層下の多層配線間に形成されている層間絶縁膜の一部を除去することにより形成された空洞部内に微小機械の構造体が設置される。薄膜層は、層間絶縁膜のエッチングに対するエッチング速度が十分に小さい材料(例えば上層配線層)を用いる。 At this time, the structure of the micromachine is installed in the cavity formed by removing a part of the interlayer insulating film formed between the multilayer wirings below the thin film layer. For the thin film layer, a material (for example, an upper wiring layer) having a sufficiently low etching rate for etching the interlayer insulating film is used.
層間絶縁膜のエッチングを終了した後、薄膜層に形成されたエッチング用の微小孔は、薄膜層上に比較的等方的な堆積特性を有する薄膜(CVD絶縁膜等)を堆積することにより封止される。これらの薄膜形成と層間絶縁膜を除去するエッチングは通常のCMOSプロセスの範囲内で行なわれる。空洞部に形成された可動部兼電極は、例えば、金属膜、シリコン−ゲルマニウム膜、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、単結晶シリコン膜、ポリシリコン膜、非晶質シリコン膜あるいはポリイミド膜のいずれかを含むように形成される。 After the etching of the interlayer insulating film is completed, the etching micropores formed in the thin film layer are sealed by depositing a thin film (such as a CVD insulating film) having relatively isotropic deposition characteristics on the thin film layer. Stopped. The thin film formation and the etching for removing the interlayer insulating film are performed within the range of a normal CMOS process. The movable part / electrode formed in the cavity is, for example, a metal film, a silicon-germanium film, a silicon nitride film, a silicon oxide film, a single crystal silicon film, a polysilicon film, an amorphous silicon film, or a polyimide film. It is formed so that it may contain.
また、本発明は、複数のLSI層または配線層を用いて1個の一体構造の構造体(機械的に一体構造とみなすことのできる錘や可動体等を含む)を形成することにより、標準的なCMOSプロセスの配線工程を用いて、加速度センサやジャイロに要求される十分に大きな質量をもつ可動錘を形成できることを第2の主要な特徴とする。構造体の可動部は、好ましくは空洞部内に形成され、かつ(弾性)変形可能なLSI材料または金属配線により空洞部を囲む層間絶縁膜に固定される。構造体は、その機械的特性が構造体自体の寸法により決定され、空洞部の形状には依存しないように設計する。具体的に構造体に、(1)空洞部の周囲にある層間絶縁膜に固定されかつ実質的に弾性変形しないとみなすことのできるだけの大きさを有する固定部、(2)可動部、(3)固定部と可動部を接続する弾性変形部を設けることにより、空洞部の寸法精度はMEMSの機械的特性に影響しない。したがって、空洞部の寸法精度は、構造体の機械的特性が空洞部の形状に依存する場合に比べて緩やかな精度で形成できる。この構造体の寸法精度は通常、LSIの配線パターンの精度で規定される。この寸法精度は、一般的に従来技術におけるバルクMEMS等の加工精度より格段に高いため、高精度の機械的特性が保証される。 In addition, the present invention provides a single integrated structure (including a weight and a movable body that can be mechanically regarded as an integrated structure) by using a plurality of LSI layers or wiring layers. A second main feature is that a movable weight having a sufficiently large mass required for an acceleration sensor or a gyro can be formed by using a wiring process of a typical CMOS process. The movable part of the structure is preferably formed in the cavity and is fixed to an interlayer insulating film surrounding the cavity by an (elastic) deformable LSI material or metal wiring. The structure is designed such that its mechanical properties are determined by the dimensions of the structure itself and do not depend on the shape of the cavity. Specifically, in the structure, (1) a fixed part fixed to an interlayer insulating film around the cavity and having a size that can be regarded as not substantially elastically deformed, (2) a movable part, (3 ) By providing an elastically deforming part that connects the fixed part and the movable part, the dimensional accuracy of the cavity does not affect the mechanical characteristics of the MEMS. Therefore, the dimensional accuracy of the cavity can be formed with a gradual accuracy compared to the case where the mechanical characteristics of the structure depend on the shape of the cavity. The dimensional accuracy of this structure is usually defined by the accuracy of the LSI wiring pattern. Since this dimensional accuracy is generally much higher than the processing accuracy of bulk MEMS or the like in the prior art, high-precision mechanical characteristics are guaranteed.
構造体は配線層を用いて形成されるので、錘としての機械的機能に加え、それ自体が電極および配線等の電気的機能を兼ねる。層間絶縁膜に固定された電気的に独立した電極と可動部兼電極の間の静電力と容量により駆動とセンシングを行なう。一体構造の構造体の可動部を錘とすることにより、例えば、加速度センサや振動ジャイロ(角速度センサ)が実現される。可動部とこれを囲む層間絶縁膜との機械的接続(固定部と弾性変形部、例えば梁)と電気的接続(配線、駆動(アクチュエータ)用および検出用容量等)は、各々LSIを構成する別層で行なってもよい。多層配線層で可動部を挟み、可動部の可動範囲を制限する等することにより、信頼性を向上することができる。 Since the structure is formed using a wiring layer, in addition to a mechanical function as a weight, the structure itself also serves as an electrical function such as an electrode and a wiring. Driving and sensing are performed by an electrostatic force and a capacitance between the electrically independent electrode fixed to the interlayer insulating film and the movable part / electrode. For example, an acceleration sensor or a vibration gyro (angular velocity sensor) is realized by using the movable portion of the integrally structured body as a weight. Mechanical connection (fixed part and elastic deformation part, for example, beam) and electrical connection (wiring, drive (actuator) and detection capacitor, etc.) between the movable part and the interlayer insulating film surrounding it constitute an LSI. You may carry out by another layer. Reliability can be improved by sandwiching the movable part between the multilayer wiring layers and limiting the movable range of the movable part.
また、本発明は、MEMSである振動センサ、加速度センサ、ジャイロ、スイッチ、振動子をLSIと混載し、MEMSの構造体をLSIの配線層(パッドを含む)と同一層で形成することを特徴とする。または、LSIの配線上部に(平面的に重なる領域に)MEMSを積層して形成することを特徴とする。 Further, the present invention is characterized in that a MEMS vibration sensor, acceleration sensor, gyroscope, switch, and vibrator are mixedly mounted on an LSI, and the MEMS structure is formed in the same layer as an LSI wiring layer (including pads). And Alternatively, it is characterized in that MEMS is stacked and formed on an upper part of an LSI wiring (in a region overlapping in a plane).
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。 Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.
LSI(CMOSが含まれる)とMEMSを標準的なCMOSプロセス(LSIプロセス)を用いてモノリシックに集積することができるので、集積化MEMSの小型化や低コスト化を実現することができる。 Since LSI (including CMOS) and MEMS can be monolithically integrated using a standard CMOS process (LSI process), downsizing and cost reduction of the integrated MEMS can be realized.
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。 In the following embodiments, when it is necessary for the sake of convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments. However, unless otherwise specified, they are not irrelevant to each other. There are some or all of the modifications, details, supplementary explanations, and the like.
また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。 Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), especially when clearly indicated and when clearly limited to a specific number in principle, etc. Except, it is not limited to the specific number, and may be more or less than the specific number.
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。 Further, in the following embodiments, the constituent elements (including element steps and the like) are not necessarily indispensable unless otherwise specified and apparently essential in principle. Needless to say.
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。 Similarly, in the following embodiments, when referring to the shape, positional relationship, etc., of components, etc., unless otherwise specified, and in principle, it is considered that this is not clearly the case, it is substantially the same. Including those that are approximate or similar to the shape. The same applies to the above numerical values and ranges.
また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、平面図であってもハッチングを付す場合がある。 In all the drawings for explaining the embodiments, the same members are denoted by the same reference symbols in principle, and the repeated explanation thereof is omitted. Even a plan view may be hatched.
本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
以下の実施の形態では、シリコン(Si)基板上にLSIのトランジスタを作製した後、トランジスタ上部に多層配線層を形成するのと同時に、同一シリコン基板上の多層配線層間に形成される層間絶縁膜にMEMSを形成し、その後、空洞を形成して封止した。または、シリコン基板上にMEMSを形成した後、同一シリコン基板上にLSIを作製し、その後、空洞を形成して封止した。 In the following embodiments, after an LSI transistor is fabricated on a silicon (Si) substrate, a multilayer wiring layer is formed on the transistor, and at the same time, an interlayer insulating film formed between multilayer wiring layers on the same silicon substrate A MEMS was formed on the substrate, and then a cavity was formed and sealed. Alternatively, after forming a MEMS on a silicon substrate, an LSI was manufactured on the same silicon substrate, and then a cavity was formed and sealed.
(実施の形態1)
本実施の形態1では、MEMSとして1軸加速度(もしくは振動)センサを形成する場合について説明する。
(Embodiment 1)
In the first embodiment, a case where a uniaxial acceleration (or vibration) sensor is formed as a MEMS will be described.
図1から図8は、本実施の形態1による集積化MEMSの製造プロセスを説明する模式図(断面図)である。まず、通常のCMOS集積回路装置を製造するプロセスに従い、シリコン基板(半導体基板)101上に1軸加速度センサの信号処理用トランジスタ102及びコンタクトホール103を形成する(図1)。次に、同様に、CMOS集積回路装置を製造するプロセスを使用して、信号処理用トランジスタ102の第1層配線(M1層)104と、空洞部を形成するエッチング時(後述する工程)のエッチングストッパ膜105を形成する(図2)。
1 to 8 are schematic views (cross-sectional views) for explaining the manufacturing process of the integrated MEMS according to the first embodiment. First, a
次に、通常のCMOS集積回路装置を製造するプロセスにより、第2層配線(M2層)および第3層配線(M3層)(第2層配線および第3層配線は図示せず)からなる多層配線層を作成し、通常の化学的機械的研磨法(CMP;Chemical Mechanical Polishing)を用いて平坦化を行なう。次に、層間絶縁膜106を形成した後、この層間絶縁膜106に所定のビアホール107を形成する(図3)。そして、層間絶縁膜106上に、必要に応じて第4層配線(M4層)108を形成するとともに、1軸加速度センサの可動錘(可動部)109、配線兼用の弾性梁(弾性変形部)110および固定梁(固定部)111を形成する(図4)。すなわち、1軸加速度センサの一部を構成する構造体(可動錘、弾性梁、固定梁)を形成する。この構造体は、上述したように半導体集積回路装置を構成する配線(例えば、第4層配線108)と同一層で形成されている。
Next, a multi-layer consisting of a second layer wiring (M2 layer) and a third layer wiring (M3 layer) (the second layer wiring and the third layer wiring are not shown) by a process of manufacturing a normal CMOS integrated circuit device. A wiring layer is formed and planarized using a normal chemical mechanical polishing (CMP). Next, after forming the
さらに、構造体を覆うように層間絶縁膜112を形成し、必要に応じてCMP法等を用いて層間絶縁膜112の平坦化を行った後(図5)、第5層配線(M5層)により、空洞部形成用の微細孔113を有する空洞カバー膜114を形成する(図6)。しかる後に、微細孔113を介して可動錘109周辺の層間絶縁膜112および層間絶縁膜106をエッチング除去することにより、空洞部115を形成する(図7)。このとき、エッチングストッパ膜105があるので、エッチングは、エッチングストッパ膜105より下方には進行しない。そして、空洞部形成用の微細孔113を絶縁膜116で塞いで空洞部115を封止する(図8)。
Further, an
ここで、第1層配線104および第4層配線108の材料としてはタングステン(W)を、第2層配線、第3層配線の材料としてはアルミニウム(Al)を、第5層配線としてはタングステンシリサイド(WSi)を用いた。材料はこれらに限ることなく、第1層配線104は例えばアルミニウム膜と窒化チタン(TiN)膜の積層膜を用いてもよいし、第5層配線はタングステン等を用いてもよい。第1層配線104や第5層配線に上記した材料を用いることの利点は、空洞部115を形成するエッチングの際、層間絶縁膜106および層間絶縁膜112とのエッチング選択比を十分に確保できる点である。
Here, tungsten (W) is used as the material of the
次に、本実施の形態1における1軸加速度センサの構成および動作について説明する。図9は完成した1軸加速度センサを構成する各層における構造体パターンの平面配置を示す模式図である。M1層、M4層、M5層のそれぞれの層における平面図を図9(a)、(b)、(c)に示す。図9(a)において、M1層のエッチングストッパ膜105は容量下部電極として機能し、第1層配線104により同一基板上に集積された信号処理用トランジスタ102を含む集積回路に接続される。図9(b)において、M4層に形成された可動錘109は、渦巻き状に形成された弾性梁110を介して固定梁111に接続されている。可動錘109は、容量上部電極として機能し、弾性梁110、固定梁111および第4層配線108により信号処理用トランジスタ102を含む集積回路に電気的に接続される。空洞部115内に形成されている可動錘109は機械的に弾性梁110および固定梁111を介して層間絶縁膜112に固定される。このように構成することで、可動錘109は紙面に垂直な方向の加速度に応じて紙面に垂直な方向に動く。これにより可動錘109よりなる容量上部電極とエッチングストッパ膜105よりなる容量下部電極との間の距離が変化し、電極間容量が変動する。この容量変化を、信号処理用トランジスタ102を含む集積回路(容量検出回路)で検出することにより、加速度を容量変化として検出することができる。すなわち、本実施の形態1における1軸加速度センサはシリコン基板101(チップ)に対し垂直方向に働く加速度を検出することができる。
Next, the configuration and operation of the uniaxial acceleration sensor according to the first embodiment will be described. FIG. 9 is a schematic diagram showing a planar arrangement of structure patterns in each layer constituting the completed uniaxial acceleration sensor. 9A, 9B, and 9C are plan views of the M1, M4, and M5 layers, respectively. In FIG. 9A, the M1 layer
図9(c)において、M5層には、空洞カバー膜114が形成されており、この空洞カバー膜114には、空洞部115を形成するための微細孔113が形成されている。この微細孔113を用いてエッチングすることにより空洞部115を形成する。空洞部115を形成した後、この微細孔113は埋め込まれる。
In FIG. 9C, the
図9(b)に示すように、固定梁111の形状は空洞の付根部分においては十分に太く、可動錘109に加速度が加えられても弾性変形しにくいように設計されている。一方、梁の中央部にある弾性梁110は固定梁111にくらべて幅が狭く、かつ渦巻き状とすることにより長さが確保されており、所定の加速度が加わることにより所望の弾性変形を生じるように設計されている。従って、1軸加速度センサの機械的特性はM4層の固定梁111、弾性梁110および可動錘109の平面パターン形状と膜厚のみで決まり、空洞部115の寸法形状には依存しない。固定梁111、弾性梁110および可動錘109の寸法精度はM4層の寸法精度(配線を形成する寸法精度)で決まるので極めて高精度である。一方、空洞部115の寸法形状はいわゆる層間絶縁膜106、112のエッチングで決まり、その精度は低いが、本実施の形態1における1軸加速度センサの機械的特性に影響することはない。
As shown in FIG. 9B, the shape of the fixed
つまり、本実施の形態1における1軸加速度センサでは、可動錘109、弾性梁110および固定梁111によって機械的特性が決定されるように構成されている。したがって、空洞部115は、通常のCMOS集積回路装置の製造技術、すなわち、空洞部115の形状によってMEMSの機械的特性が決定される場合よりも緩やかな精度のエッチング技術(層間絶縁膜自体のエッチング)で形成することができる。
That is, the uniaxial acceleration sensor according to the first embodiment is configured such that the mechanical characteristics are determined by the
これに対し、先行技術文献(米国特許第6635506号明細書)では、機械的特性が空洞部によって影響されるため、空洞部を正確に形成する必要がある。このため、層間絶縁膜の空洞部形成領域に、層間絶縁膜と異なる材料からなる犠牲層を形成している。したがって、空洞部を形成するためのプロセスが複雑になるという問題点がある。 On the other hand, in the prior art document (US Pat. No. 6,635,506), since the mechanical characteristics are affected by the cavity, it is necessary to form the cavity accurately. For this reason, a sacrificial layer made of a material different from that of the interlayer insulating film is formed in the cavity forming region of the interlayer insulating film. Therefore, there is a problem that the process for forming the cavity is complicated.
一方、本実施の形態1では、空洞部115を正確に形成する必要がないので、犠牲層を用いることなく、微細孔113からの層間絶縁膜106、112自体のエッチングで空洞部115を形成している。そして、空洞部115を形成した後、微細孔113を絶縁膜116で埋め込むことにより空洞部115を封止している。この封止工程も絶縁膜116を堆積させるという通常のCMOS集積回路装置の製造技術が使用されている。すなわち、本実施の形態1では、空洞部115の形成および封止を行うプロセスを簡素化することができる。
On the other hand, in the first embodiment, since it is not necessary to form the
このように本実施の形態1では、標準的なCMOSプロセスで空洞部115の形成および封止が可能となるので、従来のMEMSを製造する場合のように、歩留まり低下および製造コスト増大の主要因であった特殊な空洞部の形成および封止(MEMS特有の実装工程)が不要となる。このため、実施の形態1では、歩留まりの向上、製造(実装)コストの低減、または信頼性の向上を図ることができる等の利点がある。また、MEMS(1軸加速度センサ)の構造体をLSIの配線と同時に形成できるので、LSIとの集積化が容易となるという利点がある。
As described above, according to the first embodiment, the
なお、可動錘109、弾性梁110および固定梁111の平面形状は図9(b)に示した形状に限定されない。例えば、中心にある可動錘を4隅に設けた弾性梁で支えるように構成してもよい。
The planar shapes of the
次に、容量検出回路について説明する。図10は、信号処理用トランジスタ102を含む集積回路(容量検出回路)の回路構成を示したブロック図である。
Next, the capacitance detection circuit will be described. FIG. 10 is a block diagram showing a circuit configuration of an integrated circuit (capacitance detection circuit) including the
図10において、加速度センサ117で検出された容量は、CV変換回路118で電圧に変換される。そして、CV変換回路118で変換された電圧は、オペアンプ119で増幅された後、AD変換回路120でデジタル化される。しかる後、不揮発性メモリ122に記憶されたデータに基づき、マイクロプロセッサ121で、温度、アンプ特性等各種の補正が施され、出力用インターフェース回路123より加速度として出力される。なお、適当な固定参照容量またはM5層と可動錘109の間の容量変化も同時に検出して、上記容量検出回路の差動入力とすることにより、加速度検出精度をさらに向上することができる。
In FIG. 10, the capacitance detected by the
次に、本実施の形態1における1軸加速度センサの応用について説明する。本実施の形態1における1軸加速度センサをTPMS(タイヤ空気圧モニタリングシステム)向けの圧力センサと混載した。1軸加速度センサにより、タイヤが回転したときの遠心力または路面の振動による可動錘の位置変位から加速度を検知し、自動車の動作状態、すなわち走行状態か非走行状態かを判別する。そして、1軸加速度センサの検出結果に基づいて、圧力センサから出力されるタイヤ内圧力情報等の無線送信頻度を決定する。つまり、1軸加速度センサを設けることにより、自動車が走行状態にあるときは圧力センサで検出したタイヤ内圧力情報を無線送信する頻度を高める一方、自動車が非走行状態にあるときは、圧力センサで検出したタイヤ内圧力情報を無線送信する頻度を下げることができる。これにより、無駄な無線送信を低減することができ、電池の寿命を長くすることができる。 Next, an application of the uniaxial acceleration sensor in the first embodiment will be described. The uniaxial acceleration sensor in the first embodiment is mixed with a pressure sensor for TPMS (tire pressure monitoring system). The acceleration is detected from the displacement of the movable weight due to the centrifugal force when the tire rotates or the vibration of the road surface by the uniaxial acceleration sensor, and the operation state of the automobile, that is, the running state or the non-running state is determined. Based on the detection result of the uniaxial acceleration sensor, the wireless transmission frequency of the tire pressure information and the like output from the pressure sensor is determined. In other words, by providing a uniaxial acceleration sensor, the frequency of transmitting tire pressure information detected by the pressure sensor wirelessly when the automobile is in a running state is increased, while when the automobile is in a non-driving state, the pressure sensor is used. The frequency of wirelessly transmitting the detected tire pressure information can be reduced. Thereby, useless wireless transmission can be reduced and the life of the battery can be extended.
圧力センサは、1軸加速度センサと同様の配線プロセスで形成することができる。図11は、本実施の形態1における1軸加速度センサ130と圧力センサ131とを同時に形成したデバイスの断面図である。
The pressure sensor can be formed by a wiring process similar to that of the uniaxial acceleration sensor. FIG. 11 is a cross-sectional view of a device in which the
圧力センサ131の下部電極132は、1軸加速度センサ130の可動錘109と同一層で形成する。圧力センサ131の上部電極133(兼ダイアフラム膜)は、1軸加速度センサ130の空洞カバー膜114(封止膜)と同一層で形成する。圧力センサ131の空洞部134の形成と1軸加速度センサ130の空洞部115の形成は、圧力センサ131の上部電極133に設けた微細孔135と1軸加速度センサ130の空洞カバー膜114に設けた微細孔113を介して同時に行なう。同様に、圧力センサ131の上部電極133と1軸加速度センサ130の空洞カバー膜114の封止も同時に行う。これにより、圧力センサ131を本実施の形態1における1軸加速度センサ130とほぼ同一プロセスで並行して製造可能となる。
The
圧力センサ131では、図11に示す上部電極133が圧力センサ131の周囲にある気体の圧力の変化に伴い、押される程度が変化する(位置が変化する)。このため、上部電極133と下部電極132との間の距離が変化して、電極間容量が変化する。したがって、圧力センサ131では、この電極間容量を検出することにより、気体の圧力を検出することができる。
In the
(実施の形態2)
本実施の形態2では、前記実施の形態1の変形例について説明する。まず、本実施の形態2では、チップ面内の2方向(互いに直交する方向)の加速度を検知する2軸加速度センサについて述べる。加速度センサでは、一般にある程度の錘の質量を確保する必要がある。そこで、配線層のうち膜厚の比較的厚いパッド層を用いて構造体を形成した。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, a modification of the first embodiment will be described. First, in the second embodiment, a two-axis acceleration sensor that detects acceleration in two directions (directions orthogonal to each other) in the chip surface will be described. In an acceleration sensor, it is generally necessary to secure a certain mass of weight. Therefore, a structure was formed using a relatively thick pad layer of the wiring layer.
図12は2軸加速度センサの断面構造を示した模式図であり、図13は主要層の平面構成を示した模式図である。図12において、2軸加速度センサ201の可動錘202、弾性梁203(図12では図示されていない)および固定容量プレート(容量検知用電極)204は、全てこれをモノリシックに集積するLSIのパッド層205と同一の金属層で形成されている。2軸加速度センサ201は通常のLSI206の上部に形成され、前記実施の形態1と同様の方法により、可動錘202の周囲に空洞部207が封止形成されている。ただし、空洞部207を形成する際、空洞部形成領域の直下の適当な配線層を用いてエッチングストッパ膜208を形成する。このエッチングストッパ膜208は、下部にあるLSI206(集積回路および多層配線)と2軸加速度センサ201との電気シールドとしても機能する。このように、MEMS(2軸加速度センサ)の構造体をLSI(配線部および素子領域)の上部に重ねて形成できるので、チップの小型化が可能となるという利点がある。
FIG. 12 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of a biaxial acceleration sensor, and FIG. 13 is a schematic diagram showing a planar configuration of a main layer. In FIG. 12, the
空洞部207を形成するエッチングの際、パッド層用材料による可動錘202、エッチングストッパ膜208および封止用の空洞カバー膜209と、エッチング除去される層間絶縁膜210の間で十分なエッチング選択比を確保する必要がある。ここでは、パッド層205は、膜厚1500nmのアルミニウム(Al)膜を上下から膜厚100nmの窒化チタン(TiN)膜によりはさんだ積層膜としている。これにより、空洞部207を形成するエッチングの際、層間絶縁膜210とのエッチング選択比を十分に確保できる。アルミニウム膜の側面からのサイドエッチングを防止するため、必要に応じて、側面に窒化チタン膜や窒化シリコン膜(SiN)等からなるサイドウォールを形成してもよい。
In the etching for forming the
比較的大きな可動錘202を内部に設置するのに充分な面積を有する空洞部207を封止するため、空洞カバー膜209の強度を十分に確保する必要がある。ここでは、膜厚1μmのタングステンシリサイド(WSi)膜を用いた。エッチング後の乾燥工程において、空洞部207内に残存する液体の毛管力による空洞カバー膜209の貼り付きや破壊を防止するため、ここではベイパーフッ酸による気相エッチングを用いて空洞部207の形成を行なった。
In order to seal the
次に、本実施の形態2における2軸加速度センサの動作について説明する。図13(a)に示すように、空洞部207内で、可動錘202は同一層で形成された弾性梁203を介して層間絶縁膜210に固定される。この層間絶縁膜210は弾性変形しないとみなせる固定梁としても機能する。弾性梁203の形状を図13(a)のようにジグザグ状の折曲がった形状とすることにより、可動錘202に力が加わると弾性梁203が弾性変形して可動錘202の位置が空洞部207内で2次元的に変位する。この変位量は、可動錘の一部に形成した可動容量プレート211と、層間絶縁膜210に固定され空洞部207に突き出した固定容量プレート204との間の容量変化として検出される。チップ平面内の2方向(x、y方向)の変位を検出する可動容量プレート211と固定容量プレート204は、横方向に互いに入れ違いに形成された櫛歯形状を有する。1個の可動容量プレート211をはさむ1対の固定容量プレート204は各々電気的に独立し、各固定容量プレート204と可動錘202の間の容量は、別個に検出される。例えば、可動錘202がx方向に動くと、上下に配置された可動容量プレート211と固定容量プレート204との間の距離が変化する。すなわち、上下に配置された可動容量プレート211と固定容量プレート204において、1個の可動容量プレート211を挟んだ1対の固定容量プレート204との距離が、一方の固定容量プレート204との間では広くなり、他方の固定容量プレート204との間では狭くなる。距離が変化すると容量が変化するので、この容量変化を検出することにより、x方向の加速度を検出することができる。また、可動錘202がy方向に動く場合は、左右に配置された可動容量プレート211と固定容量プレート204との間の距離が変化する。すなわち、左右に配置された可動容量プレート211と固定容量プレート204において、1個の可動容量プレート211を挟んだ1対の固定容量プレート204との距離が、一方の固定容量プレート204との間では広くなり、他方の固定容量プレート204との間では狭くなる。これにより、y方向の加速度を検出することができる。
Next, the operation of the biaxial acceleration sensor in the second embodiment will be described. As shown in FIG. 13A, in the
これらx、y各方向の固定容量プレート204および可動錘202(可動容量プレート211を含む)は、各々独立に、同一半導体基板上に集積された信号処理用集積回路(LSI)に電気的に接続される。可動錘202が加速度により2軸の任意の方向に動くと、固定容量プレート204と可動容量プレート211との間の距離が変化して電極間容量が変動する。この容量変化を信号処理用集積回路(容量検出回路)で検出することにより、加速度を検出する。
The fixed
梁の形状は空洞部207の付根部分においては十分に太く、錘に加速度が加えられても弾性変形しにくいように設計されている(固定部、固定梁)。一方、梁の中央部は付根部分にくらべて幅が狭く、かつ折れ曲り状とすることにより長さが確保されており、所定の加速度が加わることにより所望の弾性変形を生じるように設計されている(弾性変形部、弾性梁203)。したがって、機械的特性は空洞部207内に露出された部分の梁および可動錘202の平面パターン形状と膜厚のみで決まり、空洞部207の寸法形状には依存しない。固定梁、弾性梁203および可動錘202の寸法精度は配線層およびビア層パターンの寸法精度で決まるので極めて高精度である。一方、空洞部207の寸法形状はいわゆる層間絶縁膜210のエッチングで決まり、その精度は低いが、本実施の形態2における2軸加速度センサの機械的特性に影響することはない。
The shape of the beam is sufficiently thick at the base portion of the
図13(b)は、空洞部207の上部に形成される空洞カバー膜209を示しており、この空洞カバー膜209には、空洞部207を形成する際に使用される微細孔212が形成されている。微細孔212は、空洞部207の形成が終了すると絶縁膜などで封止される。
FIG. 13B shows a
次に、本実施の形態2における2軸加速度センサを圧力センサと同時に形成した例を図14に示す。図14は、本実施の形態2における2軸加速度センサ201を、前記実施の形態1と同様の圧力センサ220と同時に形成した複合センサの断面図である。
Next, FIG. 14 shows an example in which the biaxial acceleration sensor according to the second embodiment is formed simultaneously with the pressure sensor. FIG. 14 is a cross-sectional view of a composite sensor in which the
図14に示すように、パッド層205と同一層に2軸加速度センサ201の構造体(可動錘202、固定容量プレート204など)を形成するとともに、圧力センサ220の上部電極接続用配線221および下部電極接続用配線222を形成する。次に、層間絶縁膜223を形成し、圧力センサ220の上部電極接続用開口および下部電極接続用開口をパッド層205上に設ける。
As shown in FIG. 14, the structure of the biaxial acceleration sensor 201 (
次に、圧力センサ220の下部電極224を形成し、この下部電極224を下部電極接続用配線222に接続する。次に、圧力センサ220の空洞部を形成するための絶縁膜(酸化膜)パターン225を形成する。次に、圧力センサ220の上部電極(ダイアフラム膜)226および2軸加速度センサ201の空洞カバー膜209となる金属薄膜(ここでは、例えばタングステン膜)を半導体基板の全面に形成する。そして、圧力センサ220の空洞部形成領域上および2軸加速度センサ201の空洞部形成領域上の金属薄膜に微細孔を形成した後、この微細孔を介して、層間絶縁膜223および絶縁膜パターン225をエッチングする。これにより、圧力センサ220の空洞部227および2軸加速度センサ201の空洞部207を形成する。続いて、金属薄膜に形成した微細孔の封止を行う。
Next, the
しかる後に、金属薄膜をパターニングして圧力センサ220の上部電極226および2軸加速度センサ201の空洞カバー膜209を形成する。そして、窒化シリコン膜よりなるパッシベーション膜を堆積し、圧力センサ220および所定のパッド上に開口を形成する(図示せず)。
Thereafter, the metal thin film is patterned to form the
このように、本実施の形態2においても、圧力センサ220と2軸加速度センサ201とをほぼ同時に製造することができる。
Thus, also in the second embodiment, the
本実施の形態2によれば、2軸加速度センサ201の可動錘202をパッド層(比較的膜厚の厚い層)205と同層の配線で形成できるので、前記実施の形態1に比べて、可動錘202の質量を格段に増大することができる。このため、2軸加速度センサ201の感度を向上させることができる。なお、本実施の形態2においてもCMOSプロセスを使用して2軸加速度センサの構造体の形成と空洞部の形成および封止を行うことができるので、前記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
According to the second embodiment, since the
(実施の形態3)
本実施の形態3では、LSIと混載したMEMSスイッチについて説明する。本実施の形態3では、通常のCMOS集積回路装置の製造技術(配線プロセス)を用いてMEMSスイッチと集積回路装置とをモノリシックに混載した。MEMSスイッチは集積回路装置の多層配線層の上部に設けたため、チップ面積の増大を招くことがない効果が得られる。これらのMEMSスイッチは、回路ブロックの切り替え、RF(Radio Frequency)無線通信方式に応じた入出力用RF素子やアンテナの切り替えなどに用いる。これにより、低消費電力で損失の少ない無線用デバイスやアンテナとの結合が可能となる。
(Embodiment 3)
In the third embodiment, a MEMS switch mixed with an LSI will be described. In the third embodiment, the MEMS switch and the integrated circuit device are monolithically mounted by using a normal CMOS integrated circuit device manufacturing technique (wiring process). Since the MEMS switch is provided on the upper part of the multilayer wiring layer of the integrated circuit device, the effect of not increasing the chip area can be obtained. These MEMS switches are used for switching of circuit blocks, switching of input / output RF elements and antennas according to an RF (Radio Frequency) wireless communication system, and the like. As a result, it is possible to couple with a wireless device or antenna with low power consumption and low loss.
まず、本実施の形態3におけるMEMSスイッチ300の機能と基本動作について説明する。図15は本実施の形態3におけるMEMSスイッチ300の構成および基本動作を模式的に示す平面図である。
First, functions and basic operations of the
本実施の形態3におけるMEMSスイッチ300の機能は入力を制御信号に応じて出力に接続または非接続とすることである。MEMSスイッチ300には、接続状態、非接続状態および遷移状態の3つの状態がある。接続状態では、図15(c)に示すように中央可動部301の2つの接点部301a、301bが、入力線302の接点部302aと出力線303の接点部303aに接触している。一方、非接続状態では、図15(a)に示すように、中央可動部301の2つの接点部301a、301bは、それぞれ入力線302の接点部302aと出力線303の接点部303aから離れている。これらの接続状態および非接続状態では、MEMSスイッチ300の入力線302および出力線303が各々集積回路の信号線に電気的に接続されている。一方、図15(b)に示す遷移状態は、接続状態から非接続状態への遷移または逆の遷移に対応する状態で、MEMSスイッチ300の入力線302および出力線303は各々集積回路の信号線から電気的に切り離され、スイッチ制御部からの信号線に接続される。
The function of the
ここで、各構成要素の機能について説明する。入力線302は、空洞部304を囲むように形成されている層間絶縁膜305に固定された固定部(固定梁)306と、弾性変形可能なばね部307および接点部302aを含む可動部308からなる。可動部308の一部は、変位用櫛歯アクチュエータ309の一方の電極309aを構成している。一方、変位用櫛歯アクチュエータ309の他方の電極309bは、層間絶縁膜305に固定されている。
Here, the function of each component will be described. The
出力線303の構成は、入力線302とほぼ対称である。すなわち、出力線303は、空洞部304を囲むように形成されている層間絶縁膜305に固定された固定部(固定梁)310と、弾性変形可能なばね部311および接点部303aを含む可動部312からなる。可動部312の一部は、変位用櫛歯アクチュエータ313の一方の電極313aを構成している。一方、変位用櫛歯アクチュエータ313の他方の電極313bは、層間絶縁膜305に固定されている。
The configuration of the
また、中央可動部301もほぼ同様の要素により構成され、空洞部304を囲むように形成されている層間絶縁膜305に固定された固定部(固定梁)314と、弾性変形可能なばね部315および接点部301a、301bを含む可動部316からなる。すなわち、一端が層間絶縁膜305に固定された中空配線が、弾性変形可能なばね部315を介して接点部301a、301bを含む可動部316に電気的かつ機械的に接続される。可動部316の一部は、変位用櫛歯アクチュエータ317の一方の電極317aを構成している。一方、変位用櫛歯アクチュエータ317の他方の電極317bは、層間絶縁膜305に固定されている。なお、図15は模式図であり、ばね部やアクチュエータの平面構造は単純化されている。
The central
次に、非接続状態から接続状態への遷移を例に、実際の動作について簡単に説明する。図15(a)に示す非接続状態では、3つの変位用櫛歯アクチュエータ309、313、317のいずれも駆動されておらず、3つのばね部307、311、315のいずれにも力は加わっていない。そこで、入力線302および出力線303を集積回路信号線からアクチュエータ制御用信号線に切り替える。そして、入力線302にある変位用櫛歯アクチュエータ309の一対の電極309a、309b間に電圧を印加する。すると、可動部308は静電的に駆動されて、入力線302の接点部302aは外側に変位する。同様に、出力線303にある変位用櫛歯アクチュエータ313の一対の電極313a、313b間に電圧を印加する。すると、可動部312は静電的に駆動されて、出力線303の接点部303aは外側に変位する。
Next, the actual operation will be briefly described by taking the transition from the unconnected state to the connected state as an example. In the unconnected state shown in FIG. 15A, none of the three
これにより、中央可動部301は障害なく紙面の縦方向に移動できる状態となる。さらに、中央可動部301にある変位用櫛歯アクチュエータ317の一対の電極317a、317b間に電圧を印加することにより、中央可動部301を静電的に駆動して、上方へ変位させる(図15(b))。
Thereby, the central
続いて、入力線302の可動部308と出力線303の可動部312をもとの位置に戻し、その後、中央可動部301の変位用櫛歯アクチュエータ317の駆動を停止すると、ばね部315の力により、中央可動部301は入力線302および出力線303に固定される。すなわち、中央可動部301の接点部301a、301bは、それぞれ入力線302の接点部302aと出力線303の接点部303aと接続する(図15(c))。その後、入力線302および出力線303を集積回路信号線に切り替えることにより接続状態となる。
Subsequently, when the
次に、本実施の形態3におけるMEMSスイッチ300の製造プロセス(製造工程)について簡単に説明する。MEMSスイッチ300の構成要素は、実施例2と同様に配線層1層のみからなり、その製造プロセスは、前記実施の形態1または前記実施の形態2とほぼ同様である。すなわち、通常のCMOS集積回路プロセスに従い、トランジスタおよび多層配線を形成し、その上にさらに前記実施の形態2に示したのとほぼ同様の方法により、MEMSスイッチ300の構造体を形成した。すなわち、本実施の形態3では、加速度センサの構造体を形成する代わりに、MEMSスイッチ300の構造体を形成している。この構造体は、前記実施の形態2と同様に多層配線の最上層の一部を用いて形成するが、必ずしもこれに限らない。例えば、配線層数の少ないメモリ領域上に、中間配線層を用いて作成してもよい。
Next, a manufacturing process (manufacturing process) of the
また、構造体の周囲に空洞部を形成する際、空洞部形成領域の構造体直下にエッチングストッパ膜として配線層を利用した薄膜を形成する。この薄膜は、下部に形成されているトランジスタおよび多層配線との電気シールドとして作用する。 Further, when forming the cavity around the structure, a thin film using a wiring layer as an etching stopper film is formed immediately below the structure in the cavity formation region. This thin film acts as an electrical shield between the transistor and the multilayer wiring formed in the lower part.
本実施の形態3では、配線で形成された構造体同士が接触することにより電気的導通が得られなければならない。このため、構造体の表面には絶縁膜等の付着を防止する必要がある。また、いわゆる金属体同士が接触後互いに離れなくなるいわゆるスティッキングを防止しなければならない。このため、前記実施の形態1で述べた封止工程(図8参照)に代えて、図16に示す以下のプロセスを実施する必要がある。 In the third embodiment, electrical continuity must be obtained by the contact of structures formed of wiring. For this reason, it is necessary to prevent adhesion of an insulating film or the like on the surface of the structure. In addition, it is necessary to prevent so-called sticking in which so-called metal bodies are not separated from each other after contact. For this reason, it is necessary to carry out the following process shown in FIG. 16 in place of the sealing step (see FIG. 8) described in the first embodiment.
図16は、本実施の形態3によるMEMSスイッチ300の製造プロセスの一部を示す模式図であり、図17はMEMSスイッチ300を構成する主要層の平面構成を示す模式図である。図16(a)に示すように、所定の配線層で配線(図示せず)およびMEMSスイッチの構造体320を形成する。そして、構造体320上に層間絶縁膜321を堆積し、さらに層間絶縁膜321上に、同様の配線材料からなる薄膜を形成する。その後、この薄膜に孔を形成して空洞カバー膜322を形成する。この孔には、比較的直径の小さな(0.2〜0.3μm程度)微細孔323と、これより直径の大きな大開口孔324の少なくとも2種類を設ける。このように微細孔323と大開口孔324とを形成した空洞カバー膜322の平面図を図17(a)に示す。図17(a)に示すように、微細孔323は所定の空洞形成領域の上に配置され、大開口孔324は、これと接続する直下に構造体の存在しない位置に配置されている。なお、破線は層間絶縁膜321を介して空洞カバー膜322の下層に形成される構造体320を示している。
FIG. 16 is a schematic diagram illustrating a part of the manufacturing process of the
次に、微細孔323および大開口孔324を介して、構造体320周辺の層間絶縁膜321をエッチング除去して空洞部325を形成する。このとき、構造体320を形成した層における平面図を図17(b)に示す。図17(b)に示すように、層間絶縁膜321には空洞部325が形成されており、この空洞部325の内部に構造体320が形成されている。
Next, the
続いて、微細孔323を等方的な堆積特性を有する絶縁膜326で塞ぐ(図16(b))。この際、微細孔323から空洞部325内に浸入した堆積ガスにより、例えば金属からなる構造体320の表面にも絶縁膜326が付着する。したがって、微細孔323だけを空洞カバー膜322に設けた場合、構造体320の表面に絶縁膜326が付着した状態で空洞部325が封止されてしまう。すると、MEMSスイッチの接続時に電気的導通がとれなくなる不都合が生じる。しかし、本実施の形態3では、微細孔323の他に大開口孔324が形成されている。この大開口孔324は塞がらないので、空洞部325は封止されない。
Subsequently, the
次に、大開口孔324を介して、空洞部325内の構造体320の表面に付着した絶縁膜326のエッチングを行い、さらに、エッチング後の金属表面を疎水化処理して、スティッキングしにくくする(図16(c))。その後、減圧下の異方的なCVD法により絶縁膜327を堆積し、大開口孔324を塞ぐ。以上により空洞部325は完全に封止される(図16(d))。
Next, the insulating
このように、本実施の形態3によれば、空洞部325の封止工程で構造体320の表面に形成される絶縁膜326を除去できるので、MEMSスイッチの信頼性向上を図ることができる。なお、本実施の形態3においてもCMOSプロセスを使用してMEMSスイッチの構造体の形成と空洞部の形成および封止を行うことができるので、前記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
As described above, according to the third embodiment, since the insulating
(実施の形態4)
本実施の形態4では、多層配線の複数層からなる一体構造可動体を用いた例について説明する。表面MEMSを用いた加速度センサの問題点として、可動錘の質量を大きくすることが比較的難しいことがあげられる。これは、可動錘の膜厚が配線層の膜厚により決定されるためである。本実施の形態4では、可動錘の質量を大きくできる方法および構造について説明する。可動錘の質量を大きくするために、多層配線の複数層からなる一体構造体を可動体とする。可動錘はLSIの多層配線と同時に形成可能である。
(Embodiment 4)
In the fourth embodiment, an example using an integral structure movable body composed of a plurality of layers of multilayer wiring will be described. A problem with the acceleration sensor using surface MEMS is that it is relatively difficult to increase the mass of the movable weight. This is because the thickness of the movable weight is determined by the thickness of the wiring layer. In the fourth embodiment, a method and structure capable of increasing the mass of the movable weight will be described. In order to increase the mass of the movable weight, an integrated structure composed of a plurality of layers of multilayer wiring is used as the movable body. The movable weight can be formed simultaneously with the multilayer wiring of the LSI.
図18から図25は本実施の形態4における3軸加速度センサの製造プロセスを説明する模式図であり、図26は3軸加速度センサを構成する各層における構造体の平面配置を示す模式図である。 FIG. 18 to FIG. 25 are schematic diagrams for explaining the manufacturing process of the triaxial acceleration sensor according to the fourth embodiment, and FIG. 26 is a schematic diagram showing the planar arrangement of the structures in the respective layers constituting the triaxial acceleration sensor. .
まず、通常のCMOS集積回路プロセスに従い、シリコン基板401上に3軸加速度センサの信号処理用トランジスタ402およびコンタクトホール403を形成する(図18)。次に、同様のCMOS集積回路プロセスにより、集積回路の第1層配線(M1層)404、3軸加速度センサの可動錘405、この可動錘405に電気的および機械的に接続された配線兼用の弾性梁406(図示せず)および後述する下部電極407を金属パターンで形成する(図19)。3軸加速度センサのM1層パターンの模式図を図26に示す。図26において、可動錘405は、弾性梁406を介して固定梁(層間絶縁膜)に固定されている。
First, in accordance with a normal CMOS integrated circuit process, a
弾性梁406および下部電極407の各々は第1層配線404またはコンタクトホールを介して信号処理用トランジスタ402の所定の配線に接続される。可動錘405には、工程の後部で可動錘405の直下部にある層間絶縁膜を除去するための微細孔408が形成されている。
Each of the
しかる後に、通常のCMOS集積回路プロセスを用いて層間絶縁膜409を堆積し、集積回路の第1層ビア410と3軸加速度センサの可動錘405に相当する部分の層間絶縁膜409に開口部411を形成する(図20)。次に、通常のCMOS集積回路プロセスを用いて、第1層ビア410および開口部411に金属(ここでは、例えばタングステン)を埋め込み、CMP法により平坦化を行う。ここで、開口部411は、M1層のパターンから下部電極407の形成部を除いたものとした。また、CMP法におけるいわゆるデッシングを防止するため、可動錘405の大面積領域には、エッチング用の微細孔408に加えて、適宜スリット(絶縁膜の残しパターン)を挿入した。
Thereafter, an
次に、CMOS集積回路プロセスにより、集積回路の第2層配線(M2層)412と、3軸加速度センサに可動錘405、可動容量プレートおよび固定容量プレートを金属パターンで形成する(図21)。3軸加速度センサ部分のM2層パターンの模式図を図26(b)に示す。図26(b)に示すように、可動錘405には、可動容量プレート412aが形成されており、この可動容量プレート412aに相対するように固定容量プレート412bが形成されている。固定容量プレート412bは、層間絶縁膜409に固定されている。
Next, a
しかる後に、再度通常のCMOS集積回路プロセスを用いて層間絶縁膜413を堆積し、集積回路の第2層ビア414、3軸加速度センサの可動錘405、可動容量プレート412aおよび固定容量プレート412bに相当する部分の層間絶縁膜413に開口部415を形成する(図22)。次に、通常のCMOS集積回路プロセスを用いて、第2層ビア414および開口部415に金属(例えば、タングステン)を埋め込み、CMP法により平坦化を行う。ここで、開口部415のパターンは、M2層のパターンとほぼ同様のものとした。ただし、CMP法におけるいわゆるデッシングを防止するため、可動錘405の大面積領域には、適宜スリット(絶縁膜の残しパターン)を挿入した。
Thereafter, an
次に、再度CMOS集積回路プロセスを用いて、集積回路の第3層配線(M3層)416と、3軸加速度センサにM2層で形成したものと同様の可動錘405、可動容量プレート412aおよび固定容量プレート412bを金属パターンで形成する(図23)。第2層ビア414およびM3層の3軸加速度センサのパターンは図26(b)に示したものと同様である。
Next, using the CMOS integrated circuit process again, the third layer wiring (M3 layer) 416 of the integrated circuit and the
さらに、層間絶縁膜417を堆積し、必要に応じてCMP法などを用いて平坦化を行い、その上に第4層配線(M4層)により、可動錘405の中心部に空洞部形成用の微細孔418を有する空洞カバー膜419を形成する(図24)。3軸加速度センサの空洞カバー膜419の平面図を図26(c)に示す。可動錘405の中心部上に微細孔418が設けられており、この微細孔418の直下には可動錘405は存在しない。
Further, an
しかる後に、微細孔418を介して可動錘405周辺の層間絶縁膜をエッチング除去して空洞部420を形成する。深さ方向のエッチングはシリコン基板401上で停止する。エッチングは等方的に進むので空洞部420の形状は円形となる。最後に微細孔418を絶縁膜421で塞いで空洞部420を封止する(図25)。大面積の空洞部420を封止するだけの強度を有する厚い絶縁膜421を用いるため、微細孔418の大きさはある程度の大きさが必要となる。また、封止は比較的厚い絶縁膜421を異方な堆積条件で形成する。
Thereafter, the interlayer insulating film around the
次に、本実施の形態4における3軸加速度センサの動作について説明する。図26(a)に示すように、空洞部420内で、可動錘405はM1層で形成された弾性梁406を介して層間絶縁膜に固定される。弾性梁406の形状は図26(a)に示すように、ロの字状で、可動錘405に力が加わると弾性梁406が弾性変形して可動錘405の位置が空洞部420内で3次元的に変位する。但し、図26(a)に示した形状はあくまで模式的なもので、前記実施の形態2に示したようにジグザグ状の折曲がり形状とする等、さまざまに最適化される。
Next, the operation of the triaxial acceleration sensor in the fourth embodiment will be described. As shown in FIG. 26A, the
例えば、図26(b)に示すように、空洞部420内における可動錘405のチップ平面内の2方向(x、y方向)の位置変位は、可動錘405の一部にM2層、第2層ビア414、M3層により形成した可動容量プレート412aと、層間絶縁膜に固定され空洞部420に突き出した固定容量プレート412b(可動容量プレート412aと同一層で形成される)間の容量変化として検出される。可動容量プレート412aおよび固定容量プレート412bの構成と検出原理は前記実施の形態2と同様である。
For example, as shown in FIG. 26B, the position displacement of the
チップ面に垂直な方向(z方向)の変位の検出は、可動錘405の一部分をM2層以上で形成し、その直下部のM1層の層間絶縁膜に固定した下部電極407とし、下部電極407と可動錘405の間の容量変化を検出することにより行う。
For detection of displacement in the direction perpendicular to the chip surface (z direction), a part of the
これらx、y、z、各方向の固定容量プレート412b(下部電極407)および可動錘405は、各々独立に、同一シリコン基板401上に集積された信号処理用の集積回路に電気的に接続される。可動錘405が加速度により、3方向の任意の方向に動くと、可動容量プレート412aと固定容量プレート412bとの距離または可動錘405と下部電極407と間の距離が変化し、電極間容量が変動する。この容量変化を信号処理用集積回路(容量検出回路)で検出することにより、加速度を検出する。
These x, y, z, fixed
弾性梁406の形状は空洞の付根部分においては十分に太く、錘に加速度が加えられても弾性変形しにくいように設計されている(固定部)。一方、梁の中央部は付根部分にくらべて幅が狭く、かつ折れ曲り状とすることにより長さが確保されており、所定の加速度が加わることにより所望の弾性変形を生じるように設計されている(弾性変形部)。したがって、機械的特性は空洞部420内に露出された部分の弾性梁406および可動錘405の平面パターン形状と膜厚のみで決まり、空洞部420の寸法形状には依存しない。弾性梁406および可動錘405の寸法精度は配線層およびビア層パターンの寸法精度で決まるので極めて高精度である。一方、空洞部420の寸法形状はいわゆる層間絶縁膜のエッチングで決まり、その精度は低いが、本実施の形態4における3軸加速度センサの機械的特性に影響することはない。また、本実施の形態4では、弾性梁406と可動容量プレート412aが、別の配線層で形成されるので、互いの平面的配置の制約に縛られることなく、各々の最適設計が可能である。
The shape of the
また、可動錘405のM2層パターンの一部に凸部を形成し、これを層間絶縁膜から空洞部420へ突き出したM1層およびM3層パターンの一部と平面的に重なるようにした(図示せず)。これにより、可動錘405が上下方向に大きく変位すると、可動錘405の上述した凸部とM1層およびM3層パターンの突き出し部が衝突し、可動錘405の可動範囲が限定される。また、凸部ならびに突き出し部が衝突時に変形して衝突の衝撃を和らげるため、本実施の形態4によれば、耐衝撃性および信頼性が向上する。
Further, a convex portion is formed on a part of the M2 layer pattern of the
本実施の形態4によれば、複数の配線層を用いて可動錘を形成しているので、可動錘の質量を増加させることができ、3軸加速度センサの検出感度を向上させることができる。 According to the fourth embodiment, since the movable weight is formed using a plurality of wiring layers, the mass of the movable weight can be increased, and the detection sensitivity of the three-axis acceleration sensor can be improved.
なお、弾性梁406に関しては、様々な設計が可能である。本実施の形態4では弾性梁406をM1層のみで形成したが、M1層、第1層ビア410、M2層、第2層ビア414、M3層の全層、またはこのうちの任意の層の組み合わせでもかまわない。例えば、全層を用いて、前記実施の形態2に示したような弾性梁と可動容量プレートを形成してもよく、または、M1層、M2層、M3層の配線層のみを用いて図27(a)に示したように3本の弾性梁406を形成してもよい。これにより、縦方向(z方向)の加速度(力)に対する感度(変位しやすさ)は増大する。また、図27(b)に示すように、弾性梁406を縦方向にジグザグの折れ曲がり形状に形成することも可能である。これにより、縦方向(z方向)の変位はさらに容易になる。これら、可動錘405および弾性梁406の形状、寸法、膜厚等は、検知したい所望の加速度範囲と耐衝撃性の観点から設計する。
Various designs for the
さらに、可動錘405として他の材質からなる厚膜を追加形成し、可動錘405の質量を増大してもよい。すなわち、本実施の形態4による可動錘405の材質は集積回路の配線材料に限ることはなく、他の無機または有機の絶縁膜でもよい。ただし、層間絶縁膜のエッチングの際に除去されない材料を用いる必要がある。層間絶縁膜が酸化膜の場合、様々な金属膜、シリコン−ゲルマニウム膜(SiGe膜)、窒化シリコン膜(SiN膜)、酸化シリコン膜、単結晶シリコン膜や非晶質シリコン膜、ポリシリコン膜、ポリイミド膜などを用いることが可能である。また、以下に述べるように層間絶縁膜として酸化膜以外の膜を用いてもよい。
Furthermore, a thick film made of another material may be additionally formed as the
本実施の形態4による3軸加速度センサに対して、さらに可動錘として厚膜を追加形成した構造の製造プロセスを図28から図33に示す。 A manufacturing process of a structure in which a thick film is additionally formed as a movable weight with respect to the triaxial acceleration sensor according to the fourth embodiment is shown in FIGS.
図18から図23までの工程とほぼ同様の工程を経ることにより形成した構造上に、厚膜レジスト425を塗布し、通常の露光および現像を行って、M3層による可動錘405の上部に開口部426を形成する(図28)。次に、無電界メッキ法を用いて、開口部426の内部にニッケル(Ni)膜427を形成する(図29)(ニッケル膜を形成した後、必要に応じて表面を研磨する)。
A thick film resist 425 is applied on the structure formed through substantially the same steps as those shown in FIGS. 18 to 23, and normal exposure and development are performed. An opening is formed above the
しかる後に、厚膜レジスト425を除去し、M3層による可動錘405上に厚膜の可動錘構造体となるニッケル膜427を露出する(図30)。さらに、このニッケル膜427を覆うようにポリイミド膜428を塗布して熱処理を行なった後、さらに空洞カバー膜429としてタングステン(W)薄膜をスパッタリング法により形成する(図31)。
Thereafter, the thick film resist 425 is removed, and a
通常の露光方法によりタングステン薄膜(空洞カバー膜429)にエッチング用の微細孔430を形成し、この微細孔430を介してニッケル膜427周辺のポリイミド膜428をエッチングして除去する(図32)。さらに、引き続きその下にある配線膜による可動構造体周辺の層間絶縁膜をエッチング除去して、空洞部431を形成する。その後、エッチング用の微細孔430を絶縁膜432で塞いで空洞部431を封止した(図33)。
A
このようにして、ニッケル膜427を含む可動錘405を形成することができるので、可動錘405の質量をさらに増加することができるので、3軸加速度センサの検出感度をさらに向上することができる。
Thus, since the
なお、本実施の形態4においてもCMOSプロセスを使用して加速度センサの構造体の形成と空洞部の形成および封止を行うことができるので、前記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。 In the fourth embodiment also, the structure of the acceleration sensor, the formation of the cavity, and the sealing can be performed using the CMOS process, so that the same effect as in the first embodiment can be obtained. it can.
(実施の形態5)
本実施の形態5では、多層配線の複数層からなる一体構造体を用いた別の例について説明する。本実施の形態5における構造体においては、層間絶縁膜内に形成された空洞部の内部に、多層配線構造からなり周囲を酸化膜等の絶縁膜で覆われた可動部が、同様に内部に配線構造を有し酸化膜等の絶縁膜で覆われた弾性梁により空洞周囲の層間膜に固定されている。これまでに述べた実施の形態では、1個の可動体は1個の連続した導電体からなるので電気的には1個の電極や配線としてしか機能しない。しかし、本実施の形態5では、構造体の内部に複数の独立した配線を導入できるので、より複雑な可動体の駆動や信号検出が可能となる。
(Embodiment 5)
In the fifth embodiment, another example using an integrated structure composed of a plurality of layers of multilayer wiring will be described. In the structure according to the fifth embodiment, a movable portion having a multilayer wiring structure and surrounded by an insulating film such as an oxide film is similarly formed inside the cavity formed in the interlayer insulating film. It is fixed to the interlayer film around the cavity by an elastic beam having a wiring structure and covered with an insulating film such as an oxide film. In the embodiments described so far, since one movable body is composed of one continuous conductor, it electrically functions only as one electrode or wiring. However, in the fifth embodiment, since a plurality of independent wirings can be introduced into the structure, more complex driving of the movable body and signal detection are possible.
図34から図39は本実施の形態5における角速度センサ(振動ジャイロ)の製造プロセスを説明する模式図である。 34 to 39 are schematic diagrams for explaining a manufacturing process of the angular velocity sensor (vibration gyro) according to the fifth embodiment.
まず、通常のCMOS集積回路プロセスに従い、シリコン基板501上に振動ジャイロの信号処理用トランジスタ502およびコンタクトホール503を形成する(図34)。次に、CMOS集積回路プロセスを用いて、集積回路の第1層配線(M1層)504と、振動ジャイロの可動錘505下の空洞部に相当する領域に犠牲層506を形成する。次に、層間絶縁膜507を堆積した後、集積回路の第1層ビア508と、振動ジャイロの可動錘505を囲む空洞部に相当する領域に開口部509を形成する(図35)。次に、通常のCMOS集積回路プロセスを用いて、第1層ビア508および開口部509に金属(ここでは、例えばタングステン)を埋め込み、CMP法により平坦化を行う。
First, according to a normal CMOS integrated circuit process, a
続いて、通常のCMOS集積回路プロセスを用いて、集積回路の第2層配線(M2層)510と、振動ジャイロの可動錘505および梁(図示せず)を囲む空洞部に相当する領域に犠牲層511を形成するとともに、可動錘505および梁の内部に配線512を形成する。続いて、層間絶縁膜513を堆積した後、集積回路の第2層ビア514と、振動ジャイロの可動錘505を囲む空洞部に相当する領域に開口部515を形成する。同時に、可動錘505(および必要に応じて梁内部)内の上下配線を接続するためのビア部516を形成する(図36)。
Subsequently, using a normal CMOS integrated circuit process, the sacrificial portion of the second layer wiring (M2 layer) 510 of the integrated circuit and the region corresponding to the cavity surrounding the
次に、通常のCMOS集積回路プロセスを用いて、集積回路の第3層配線(M3層)517と、振動ジャイロの可動錘505および梁を囲む空洞部に相当する領域に犠牲層518を形成する。同時に可動錘505および梁内部に配線519を形成する。このとき、配線519の一部は配線512と接続されずに独立した配線として形成される。すなわち、複数の独立した配線が可動錘505の内部に形成される。
Next, a
以下同様にして、層間絶縁膜520を堆積した後、集積回路の第3層ビア521と、振動ジャイロの可動錘505を囲む空洞部に相当する領域に開口部522を形成する(図37)。次に、CMOS集積回路プロセスを用いて、集積回路の第4層配線(M4層)523と、振動ジャイロの可動錘505上の空洞部に相当する領域の犠牲層524を形成する。さらに、絶縁膜を堆積し、空洞部形成用の微細孔525を有する層間絶縁膜526を形成する(図38)。
Similarly, after the
しかる後に、微細孔525を介して配線材料を用いた犠牲層506、511、518、524をエッチング除去することにより空洞部527を形成する。最後にエッチング用の微細孔525を絶縁膜528で塞いで空洞を封止する(図39)。配線および犠牲層は例えば、すべてアルミニウム膜で形成したが、タングステン膜などであってもよい。
Thereafter, the
犠牲層のエッチングに用いるAlエッチング液は絶縁膜との選択比が大きいので、犠牲層をエッチングする際、空洞部527の内部に形成されている可動錘505および梁の表面の絶縁膜(酸化膜)の削れ量は極めて小さい。このようにして、複数の独立配線を内部に形成した可動錘505を形成することができる。
Since the Al etchant used for etching the sacrificial layer has a large selection ratio with respect to the insulating film, when etching the sacrificial layer, the
次に、上述した製造プロセスを用いて形成した角速度センサ(振動ジャイロ)の構成について図40を用いて説明する。 Next, the structure of the angular velocity sensor (vibration gyro) formed using the manufacturing process described above will be described with reference to FIG.
空洞部530内に枠状構造体531が形成されている。この枠状構造体531は、検出軸(y)方向の剛性が駆動軸(x)方向の剛性と比べて非常に大きな梁532を介して空洞部530の周囲の層間絶縁膜533に固定される。すなわち、枠状構造体531は駆動軸(x)方向に容易に振動するが、このとき検出軸方向にはほとんど動かない。枠状構造体531の内側には、可動錘534が、駆動軸(x)方向の剛性が検出軸(y)方向の剛性と比べて非常に大きな梁535を介して枠状構造体531に固定される。
A frame-
空洞部530の周囲の層間絶縁膜533に固定された櫛歯状の第1駆動電極536は、所定のLSI配線に接続されている。枠状構造体531に固定された櫛歯状の第2駆動電極537は、梁532内配線を介して空洞部530の外部にある所定のLSI配線に接続されている。第1駆動電極536と第2駆動電極537との間には発振器538によって交流電圧が印加される。
The comb-shaped
枠状構造体531に固定された櫛歯状の第1検出電極539およびこれと電気的に独立した第2検出電極540は、梁532内配線を介して空洞部530の外部にある所定のLSI配線に接続されている。
The comb-shaped
可動錘534に固定された櫛歯状の第3検出電極541は、梁535内配線、枠状構造体531、梁532内配線を介して空洞部530の外部にある所定のLSI配線に接続されている。第1検出電極539と第3検出電極541間には静電容量検出回路542が接続されており、第2検出電極540と第3検出電極541間には静電容量検出回路543が接続されている。
The comb-like
上述したすべての電極はその表面を絶縁膜に覆われている。また、上述したすべての電極はM2層およびM3層の積層膜で形成されている。第2駆動電極537に接続される配線はM3層で、他の電極に接続される配線は全てM2層で形成されている。
All the electrodes described above have their surfaces covered with an insulating film. Further, all the electrodes described above are formed of a laminated film of M2 layer and M3 layer. Wirings connected to the
次に、本実施の形態5における振動ジャイロの動作について図41を用いて説明する。
以下、駆動軸と検出軸は空洞部530に固定された座標系と考える。まず、第1駆動電極536と第2駆動電極537間に交流電圧を印加することにより、枠状構造体531を駆動軸方向に振動させる。このとき、枠状構造体531と可動錘534を結ぶ梁535は駆動軸方向に大きな剛性を持つので、可動錘534は枠状構造体531とともに駆動軸方向に振動する(図41(a))。
Next, the operation of the vibrating gyroscope according to the fifth embodiment will be described with reference to FIG.
Hereinafter, the drive axis and the detection axis are considered as a coordinate system fixed to the
次に、駆動軸および検出軸に垂直な軸(図の紙面に垂直な軸)の周りに回転が生じるとコリオリ力により可動錘534は検出軸方向に振動をはじめる。このとき、枠状構造体531はこれを空洞部530の周囲に固定する梁532の剛性が検出軸方向に非常に大きいので、検出軸方向には振動しない。このため、第3検出電極541が、第1検出電極539および第2検出電極540に対して検出軸方向に相対的に移動して、第3検出電極541と第1検出電極539間の容量、または第3検出電極541と第2検出電極540間の容量が変化する。この容量変化を検出することにより、コリオリ力を計測し、角速度を検出する(図41(b))。
Next, when rotation occurs around an axis perpendicular to the drive axis and the detection axis (axis perpendicular to the drawing sheet), the
本実施の形態5による振動ジャイロによれば、構造体内に複数の独立した配線を形成できるので、独立した回路を構造体に接続することができる。したがって、検出される信号に対して振動方向の分離を行なう必要がないので、極めて高精度の角速度検出が可能かつ信号処理の大幅な簡素化が可能というメリットがある。なお、本実施の形態5においてもCMOSプロセスを使用して振動ジャイロの構造体の形成と空洞部の形成および封止を行うことができるので、前記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。 According to the vibration gyro according to the fifth embodiment, since a plurality of independent wirings can be formed in the structure, independent circuits can be connected to the structure. Therefore, since it is not necessary to separate the vibration direction from the detected signal, there is an advantage that the angular velocity can be detected with extremely high accuracy and the signal processing can be greatly simplified. In the fifth embodiment, the vibration gyro structure can be formed and the cavity can be formed and sealed using the CMOS process, so that the same effect as in the first embodiment can be obtained. it can.
(実施の形態6)
本実施の形態6では、配線プロセス以外のプロセスでMEMS構造体を形成し、これに対して配線プロセスで空洞部の形成および封止を実現した例について説明する。これまでの実施の形態に示したように、配線材料、すなわち金属で梁および可動部を形成した場合、MEMS構造体を振動体として用いる応用においては、金属材料の特性により振動のQ値が小さい。この場合、比較的大きなQ値の得られるシリコン(Si)等の材料を用いるのが適当である。本実施の形態6では、SOI(Silicon On Insulator)プロセスにより形成した振動ジャイロの構造体を、配線プロセスにより封止した例について述べる。
(Embodiment 6)
In the sixth embodiment, an example will be described in which the MEMS structure is formed by a process other than the wiring process, and the cavity is formed and sealed by the wiring process. As shown in the embodiments so far, when the beam and the movable part are formed of a wiring material, that is, a metal, in an application using the MEMS structure as a vibrating body, the vibration Q value is small due to the characteristics of the metal material. . In this case, it is appropriate to use a material such as silicon (Si) that can obtain a relatively large Q value. In the sixth embodiment, an example in which a structure of a vibrating gyroscope formed by an SOI (Silicon On Insulator) process is sealed by a wiring process will be described.
図42から図47は本実施の形態6による振動ジャイロの製造プロセスを説明する模式図であり、図48は振動ジャイロを構成する各層における構造体の平面配置を示す模式図である。まず、SOI基板601に振動体を形成するため、振動体(錘および梁)とすべきパターン周囲のSOI層602にSOI基板601の表面から埋め込み絶縁膜603に達するまでの開口部604を形成し、さらに開口部604をCVD酸化膜(HLD膜)605で埋め込みを行う(図42)。
42 to 47 are schematic views for explaining the manufacturing process of the vibrating gyroscope according to the sixth embodiment, and FIG. 48 is a schematic view showing the planar arrangement of the structures in the respective layers constituting the vibrating gyroscope. First, in order to form a vibrating body in the
次に、通常のCMOS集積回路プロセスに従い、SOI基板601上に振動ジャイロの駆動および信号処理用のトランジスタ606およびコンタクトホール607を形成する(図43)。このとき、振動体形成領域とその周囲領域のSOI層602上部にはフィールド酸化膜608を形成する。
Next, in accordance with a normal CMOS integrated circuit process, a
続いて、CMOS集積回路プロセスを用いて、集積回路の第1層配線(M1層)609と、振動ジャイロの振動体形成領域の中心部上に検出電極610を形成する(図44)。しかる後に、集積回路上に通常のCMOS集積回路プロセスで第2層配線(M2層)611以降の多層配線を形成する。このとき、振動体形成領域とその周囲領域上には層間絶縁膜のみが堆積される。最上層配線を形成した後、さらに層間絶縁膜612を堆積し、必要に応じて化学的機械的研磨(CMP)法等を用いて平坦化を行う。そして、層間絶縁膜612上にエッチング用の微細孔613を有する空洞カバー膜614を形成する(図45)。
Subsequently, the
しかる後に、微細孔613を介して振動体615上部の層間絶縁膜、開口部604に埋め込んだCVD酸化膜605および振動体(錘および梁)615下部にあるSOI基板601の埋め込み絶縁膜603を、エッチング除去して振動体615の周囲に空洞部616を形成する(図46)。深さ方向のエッチングは埋め込み絶縁膜603下のシリコン基板601で停止する。最後にエッチング用の微細孔613を絶縁膜617で塞いで空洞部616を封止する(図47)。
Thereafter, the interlayer insulating film above the vibrating
本実施の形態6のように、構造体(振動体)の振動特性を用いる応用においては、構造体周辺の気体抵抗の影響が無視できない。このため、空洞部616内はできるだけ真空に近い状態とすることが望ましい。しかし、微細孔613の埋め込みに用いる等方的堆積特性を有するCVD膜では、空洞部616に堆積時のガス圧力が残存し、真空封止が困難である。一方、前記実施の形態3に示した大開口孔の封止に用いる異方性堆積膜の形成圧力は真空に近いため、ほぼ真空封止が可能である。そこで、本実施の形態6においても、前記実施の形態3と同様、空洞カバー膜614に少なくとも大小2種類の孔を設け、微細孔により空洞部616の平面形状を規定し、最後に大開口孔により真空封止を行った。但し、本実施の形態6では、前記実施の形態3とは違い、必ずしも大開口孔を封止する前に、構造体表面に形成されている絶縁膜のエッチングと表面疎水化処理は必要ない。
In the application using the vibration characteristics of the structure (vibrating body) as in the sixth embodiment, the influence of gas resistance around the structure cannot be ignored. For this reason, it is desirable to make the inside of the
次に、上述したプロセスを用いて形成した角速度センサ(振動ジャイロ)の構成について図48を用いて説明する。図48(a)は、SOI層の平面図で、振動ジャイロは、枠状構造体620および錘621を含む振動体615と空洞部616の外側に固定された第1駆動電極622および枠状構造体620に固定された第2駆動電極623を含む。空洞部616内には、SOI層で形成された枠状構造体620が、駆動軸(x)方向の剛性がそれ以外の方向の剛性と比べて小さな梁624を介して空洞部616の周囲にある層間絶縁膜625に固定される。すなわち、枠状構造体620は駆動軸(x)方向に容易に振動するが、このとき検出軸(紙面に垂直な方向)および回転軸(y)方向にはほとんど動かない。
Next, the configuration of an angular velocity sensor (vibration gyro) formed using the above-described process will be described with reference to FIG. FIG. 48A is a plan view of an SOI layer. The vibrating gyroscope includes a vibrating
枠状構造体620の内側には、同じくSOI層で形成された錘621が、駆動軸方向と回転軸方向の剛性がそれ以外の方向の剛性と比べて十分に大きな梁626を介して枠状構造体620に固定される。すなわち、錘621は検出軸(z)方向に容易に振動するが、それ以外の方向にはほとんど動かない。
Inside the frame-
第1駆動電極622および第2駆動電極623の2つの電極はイオン打ち込みによる拡散層形成により形成し、コンタクトホール及び多層配線により駆動および信号処理用の集積回路に接続した。これらの電極は、開口部604形成時のエッチングにより形状を規定される。第1駆動電極622と第2駆動電極623の間に交流電圧を印加することにより振動体615は図中の駆動軸方向に振動する。
The two electrodes, the
図48(b)は、M1層で形成された検出電極610の平面図である。検出電極610と錘621の間の静電容量を検知することにより、振動体の検出軸(図48の紙面またはチップの基板面に垂直な方向)の変位を検出する。錘621と検出電極610の対向面積は、錘621が駆動軸方向に振動(移動)しても変化しない。従って、錘621と検出電極610の間の静電容量は両者間の間隔(距離)のみにほぼ依存する。
FIG. 48B is a plan view of the
梁626の形状は空洞の付根部分においては十分に太く、設計の振動範囲では変動しないように設計する。従って、機械的特性は空洞部616内に露出された部分の錘621の平面形状と膜厚のみで決まり、空洞部616の寸法形状には依存しないので、極めて高精度である。
The shape of the
次に、本実施の形態6における角速度センサの動作について図49を用いて説明する。第1駆動電極と第2駆動電極との間に交流電圧を印加することにより、枠状構造体620を駆動軸方向に振動させる。このとき、枠状構造体620と錘621を結ぶ梁626は駆動軸方向に大きな剛性を持つので、錘621は枠状構造体620とともに駆動軸方向に振動する(図49(a))。次に、回転軸の周りに回転が生じるとコリオリ力により錘621は検出軸方向に振動をはじめる。これにより錘621と検出電極610間の静電容量が変化する。これを検知することにより角速度をモニタする(図49(b))。
Next, the operation of the angular velocity sensor according to the sixth embodiment will be described with reference to FIG. By applying an AC voltage between the first drive electrode and the second drive electrode, the frame-shaped
上述したように、本実施の形態6では錘621をSOI層のみで形成したが、錘621の質量をさらに増大するために錘621としてSOI層上にコンタクト層および多層配線層を積層してもよい。以下に、このプロセスについて簡単に説明する。
As described above, in the sixth embodiment, the
まず、SOI基板601に振動体を形成するため、振動体(錘および梁)とすべきパターン周囲のSOI層602にSOI基板601の表面から埋め込み絶縁膜603に達するまでの開口部604を形成し、さらに開口部604をCVD酸化膜(HLD膜)605で埋め込みを行う(図50)。
First, in order to form a vibrating body in the
次に、通常のCMOS集積回路プロセスに従い、SOI基板601上に振動ジャイロの駆動および信号処理用のトランジスタ606およびコンタクトホール607を形成する(図51)。このとき、振動体形成領域とその周囲領域のSOI層602上部にも開口部630を形成する。
Next, in accordance with a normal CMOS integrated circuit process, a
続いて、集積回路上に通常のCMOS集積回路プロセスで第1層配線(M1層)631以降の多層配線を形成する。このとき、開口部630上にも振動体を構成する多層配線632も形成する。そして、層間絶縁膜633を形成した後、集積回路上に第3層配線(M3層)634を形成するとともに、振動体形成領域上に検出電極635を形成する。本変形例では、この検出電極635をM3層と同層で形成するようにしたが、これに限らず、多層配線内の適当な層を用いて形成することができる。次に、M3層および検出電極635上に層間絶縁膜636を形成した後、この層間絶縁膜636上にエッチング用の微細孔637を有する空洞カバー膜638を形成する(図52)。
Subsequently, a multilayer wiring after the first layer wiring (M1 layer) 631 is formed on the integrated circuit by a normal CMOS integrated circuit process. At this time, the
しかる後に、微細孔637を介して振動体615上部の層間絶縁膜、開口部604に埋め込んだCVD酸化膜605および振動体(錘および梁)615下部にあるSOI基板601の埋め込み絶縁膜603を、エッチング除去して振動体615の周囲に空洞部639を形成する(図53)。深さ方向のエッチングは埋め込み絶縁膜603下のシリコン基板601で停止する。最後にエッチング用の微細孔637を絶縁膜640で塞いで空洞部639を封止する(図54)。
Thereafter, the interlayer insulating film above the vibrating
このようにして、振動体615をSOI層だけでなく、多層配線層も使用するように構成したので、振動体615の質量を増大させることができ、振動ジャイロの検出感度の向上を図ることができる。
In this way, since the vibrating
SOI層の代わりに厚膜ポリシリコンで振動体を形成してもよい。この場合、SOI基板の代わりとして、シリコン基板上に所定の膜厚の酸化膜およびポリシリコン膜を順次積層した基板を用いれば、本実施の形態6をほぼそのまま適用できる。 The vibrator may be formed of thick polysilicon instead of the SOI layer. In this case, if a substrate in which an oxide film and a polysilicon film having a predetermined thickness are sequentially stacked on a silicon substrate is used instead of the SOI substrate, the sixth embodiment can be applied almost as it is.
SOI層や厚膜ポリシリコンよりなる振動体のパターニング、すなわちエッチングによる振動体およびその周辺部の平面形状の規定とエッチングされた部分への酸化膜(犠牲膜)の埋め込みは、集積回路のトランジスタ形成前に行っても、形成後に行ってもよい。 Patterning of a vibrating body made of an SOI layer or thick film polysilicon, that is, defining the planar shape of the vibrating body and its peripheral part by etching and embedding an oxide film (sacrificial film) in the etched part is a transistor formation of an integrated circuit. It may be performed before or after formation.
本実施の形態6の趣旨は、第1にSOI層またはこれと多層配線層の積層により形成した振動体と、多層配線層により形成した検出電極の組み合わせにより角速度センサを構成することにある。また、第2に、角速度センサの振動体を、層間絶縁膜中に封止形成した空洞部中に配置することにあり、角速度センサの設計上の特徴を規定するものではない。従って、上述した平面形状や配置はあくまで模式的なものであり、適宜変更、設計最適化可能である。 The gist of the sixth embodiment is that an angular velocity sensor is first constituted by a combination of a vibrating body formed by stacking an SOI layer or this and a multilayer wiring layer, and a detection electrode formed by the multilayer wiring layer. Second, the vibrating body of the angular velocity sensor is disposed in a cavity portion sealed and formed in the interlayer insulating film, and does not define the design characteristics of the angular velocity sensor. Accordingly, the above-described planar shape and arrangement are merely schematic, and can be changed and optimized as appropriate.
なお、本実施の形態6においてもCMOSプロセスを使用して振動ジャイロの構造体の形成と空洞部の形成および封止を行うことができるので、前記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。 In the sixth embodiment as well, the vibration gyro structure and the cavity can be formed and sealed using the CMOS process, so that the same effect as in the first embodiment can be obtained. it can.
次に、前記実施の形態1などで説明したMEMSの応用例について実施の形態7から実施の形態9で説明する。 Next, application examples of the MEMS described in the first embodiment will be described in the seventh to ninth embodiments.
(実施の形態7)
図55から図57を用いて、MEMSを使用したタイヤ内の気体圧力監視システムの全体構成について説明する。ここで、図55は自動車の車両底面から見たタイヤ内の気体圧力監視システムの構成を示したものであり、気体圧力監視システムは、車両701、前後左右に配されたタイヤ702a〜702d、タイヤ702a〜702dのそれぞれの内部に設置されたタイヤ圧測定モジュール703a〜703dおよび車両搭載機704を有している。また、図56、図57はそれぞれタイヤ圧測定モジュール703(703a〜703d)、車両搭載機704のブロック図である。
(Embodiment 7)
The overall configuration of the gas pressure monitoring system in the tire using MEMS will be described with reference to FIGS. 55 to 57. Here, FIG. 55 shows a configuration of a gas pressure monitoring system in the tire as viewed from the bottom of the vehicle. The gas pressure monitoring system includes a
図56は、タイヤ圧測定モジュール703のブロック図であり、1チップで形成されたICチップ705とICチップ705に電力を供給する電圧VBATの電池706を有している。ICチップ705は、圧力センサ回路707、温度センサ回路708、加速度センサ回路709、アナログデジタル変換回路(A/D)710、711、712、計算処理制御部713、記憶回路714、送信回路715および受信回路716を有している。ここで、圧力センサ回路707、温度センサ回路708は、それぞれタイヤ内の気体圧力と温度を測定する回路である。また、加速度センサ回路709は、タイヤが回転しているかどうかを判断する回路である。これら圧力センサ回路707や加速度センサ回路709には、圧力センサや加速度センサを構成するMEMS(微小機械)が形成されている。すなわち、ICチップ705には、集積回路が形成されているとともに、圧力センサや加速度センサとなるMEMSが形成されている。本実施の形態7の圧力センサ回路707に形成されている圧力センサや加速度センサ回路709に形成されている加速度センサは、例えば、前記実施の形態1、2、4などに記載されている圧力センサや加速度センサが使用されている。
FIG. 56 is a block diagram of the tire
このICチップ705に形成されているMEMSは、前述した実施の形態で説明したように、標準的なCMOSプロセスで空洞部の形成および封止が可能となるので、従来のMEMSを製造する場合のように、歩留まり低下および製造コスト増大の主要因であった特殊な空洞部の形成および封止(MEMS特有の実装工程)が不要となっている。このため、本実施の形態7では、ICチップ705の歩留まりの向上、製造(実装)コストの低減、または信頼性の向上を図ることができる等の利点がある。また、MEMSの構造体をLSIの配線と同時に形成できるので、LSIとの集積化が容易となるという利点がある。
Since the MEMS formed on the
アナログデジタル変換回路710、711、712は、圧力センサ回路707、温度センサ回路708、加速度センサ回路709から出力されるアナログ電圧値をデジタル電圧値に変換する回路である。
The analog-
計算処理制御部713は、(1)アナログデジタル変換回路710、711、712で変換されたデジタル電圧値の入力、(2)圧力センサ回路707で測定した圧力測定値を補正するための補正演算、(3)加速度センサ回路709からの出力に応じた制御状態の変更、(4)送信回路715へのデータ出力、(5)受信回路716からのデータ受信、(6)EN信号による圧力センサ回路707、温度センサ回路708、加速度センサ回路709、送信回路715、受信回路716の個別電源のON/OFF制御などを行なうようになっている。
The calculation
記憶回路714は、圧力センサ回路707で測定した圧力測定値を補正するための補正値やタイヤ圧測定モジュール703のIDなどを登録するための回路である。なお、ID番号(例えば32ビット)は、自車と他車についているタイヤの識別や、タイヤ位置の識別に用いられる。
The
送信回路715は、計算処理制御部713で補正計算された測定値などのデータを図55に示す車両搭載機704に対して無線送信する回路である。この無線送信に使用される搬送波の周波数はUHF帯、例えば315MHzが用いられ、搬送波に対し送信データによりASK変調やFSK変調を行なって送信を行なう。
The
一方、受信回路716は、車両搭載機704からの制御信号などのデータを無線で受信し、計算処理制御部713に伝達する回路である。受信回路716で受信する搬送波の周波数は、LF帯、例えば125kHzが用いられ、送信データによりASK変調された搬送波が受信される。
On the other hand, the
送信回路715と受信回路716には、それぞれアンテナ717、718が接続されている。また、ICチップ705に電力を供給する電池706は、例えばコイン形リチウム電池(電圧3V)が用いられる。
次に、図57は車両搭載機704のブロック図である。図57に示すように、車両搭載機704は、データの入出力と計算を行なう計算処理制御部719、受信回路720、送信回路721、受信回路720に接続されたアンテナ722、送信回路721に接続されたアンテナ723、測定値や警告を表示する表示部724を有している。
Next, FIG. 57 is a block diagram of the vehicle-mounted
計算処理制御部719は、受信回路720を介して図55に示すタイヤ圧測定モジュール703(703a〜703d)から無線送信されたデータを受信し、圧力測定値や圧力低下などの注意・警告を表示部724に表示するようになっている。さらに、計算処理制御部719は、タイヤ圧測定モジュール703(703a〜703d)に、送信回路721を介して制御データを送信するようになっている。なお、車両搭載機704に必要な電力は、自動車に搭載されているバッテリー(図示せず)から供給される。
The calculation
本実施の形態7によれば、標準的なCMOSプロセスを用いて形成したMEMSを使用してタイヤ圧測定モジュール703(703a〜703d)を構成しているので、タイヤ圧測定モジュール703(703a〜703d)の歩留まり向上または信頼性の向上を図ることができる。したがって、タイヤ内の気体圧力監視システムの信頼性向上を図ることができる。 According to the seventh embodiment, the tire pressure measurement module 703 (703a to 703d) is configured by using the MEMS formed using a standard CMOS process, so that the tire pressure measurement module 703 (703a to 703d) is configured. ) And the reliability can be improved. Therefore, the reliability of the gas pressure monitoring system in the tire can be improved.
(実施の形態8)
図58と図59を用いて、MEMSを使用した車両の横滑り防止装置の全体構成について説明する。ここで、図58は自動車の車両底面から見た車両の横滑り防止装置の構成を示したものであり、横滑り防止装置は、車両801、前後左右に配されたタイヤ802a〜802d、タイヤ802a〜802dのそれぞれに搭載されている制動機(ブレーキ)の制御を行なう制動力制御アクチュエータ803a〜803d、制動力制御アクチュエータ803a〜803dを制御する横滑り防止制御回路804を有している。また、図59は、横滑り防止制御回路804のブロック図であり、横滑り防止制御装置804は、1チップのICチップ805と制動力演算回路806を有している。
(Embodiment 8)
The overall configuration of a vehicle skid prevention apparatus using MEMS will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 58 shows the configuration of a vehicle skid prevention device as seen from the bottom of the vehicle. The skid prevention device includes a
ICチップ805は、図58に示す座標軸x、y方向のそれぞれの加速度を検出する加速度センサ回路807、808および座標軸z回りの回転角速度を検出する角速度センサ回路809を有している。これら角速度センサ回路809や加速度センサ回路807、808には、角速度センサや加速度センサを構成するMEMSが形成されている。すなわち、ICチップ805には、集積回路が形成されているとともに、角速度センサや加速度センサとなるMEMSが形成されている。本実施の形態8の角速度センサ回路809に形成されている角速度センサや加速度センサ回路807、808に形成されている加速度センサは、例えば、前記実施の形態1、2に記載されている加速度センサや前記実施の形態5、6に記載されている角速度センサが使用されている。
The
このICチップ805に形成されているMEMSは、前述した実施の形態で説明したように、標準的なCMOSプロセスで空洞部の形成および封止が可能となるので、従来のMEMSを製造する場合のように、歩留まり低下および製造コスト増大の主要因であった特殊な空洞部の形成および封止(MEMS特有の実装工程)が不要となっている。このため、本実施の形態8では、ICチップ805の歩留まりの向上、製造(実装)コストの低減、または信頼性の向上を図ることができる等の利点がある。また、MEMSの構造体をLSIの配線と同時に形成できるので、LSIとの集積化が容易となるという利点がある。
Since the MEMS formed on the
また、ICチップ805は、アナログデジタル変換回路(A/D)810、811、812、補正演算回路813および記憶回路814を有している。アナログデジタル変換回路810、811、812は、角速度センサ回路809、加速度センサ回路807、808から出力されるアナログ電圧値をデジタル電圧値に変換する回路である。補正演算回路813は、角速度センサ回路809、加速度センサ回路807、808の理想出力特性からのずれを補正するための回路であり、その補正値の係数は記憶回路814にあらかじめ登録している。
The
本実施の形態8における横滑り防止装置は上記のように構成されており、以下にその動作の概略について説明する。まず、ICチップ805に形成されている角速度センサ回路809および加速度センサ回路807、808により、車両に加わる角速度および加速度を検出する。また、舵角(ステアリング操作角度)も検出する。さらに、外部から車速やブレーキ操作量などを検出する。そして、角速度、加速度、舵角、車速およびブレーキ操作量などの情報を横滑り防止制御回路804が入力すると、車両が横滑りしないように、横滑り防止制御回路804から制御信号が制動力制御アクチュエータ803(803a〜803d)に出力される。すると、制動力制御アクチュエータ803(803a〜803d)により、タイヤ802a〜802dの制動力を制御する。これにより、車両の横滑りを防止することができる。
The skid prevention apparatus according to the eighth embodiment is configured as described above, and the outline of the operation will be described below. First, the angular
本実施の形態8によれば、標準的なCMOSプロセスを用いて形成したMEMSを使用してICチップ805を形成しているので、ICチップ805の歩留まり向上または信頼性の向上を図ることができる。したがって、車両の横滑り防止装置の信頼性向上を図ることができる。
According to the eighth embodiment, since the
(実施の形態9)
図60と図61を用いて、車両のエアサスペンション制御装置の全体構成について説明する。ここで、図60は、エアサスペンション制御装置901のブロック図を示したものであり、エアサスペンション制御装置901は、1チップのICチップ902、ばね定数・減衰定数演算回路903、エアサスペンションの内部圧力などを制御するアクチュエータ904を有している。ICチップ902は、圧力センサ回路905、温度センサ回路906、加速度センサ回路907、アナログデジタル変換回路(A/D)908、909、910、補正演算回路911、記憶回路912を有している。ここで、圧力センサ回路905、温度センサ回路906は、それぞれエアサスペンション内の気体圧力と温度を測定する回路である。また、加速度センサ回路907は、車両からみて天地方向の加速度を測定し、主として道路の凹凸や車両の上下方向の運動を検出する回路である。これら圧力センサ回路905や加速度センサ回路907には、圧力センサや加速度センサを構成するMEMSが形成されている。すなわち、ICチップ902には、集積回路が形成されているとともに、圧力センサや加速度センサとなるMEMSが形成されている。本実施の形態9の圧力センサ回路905に形成されている圧力センサや加速度センサ回路907に形成されている加速度センサは、例えば、前記実施の形態1、2、4などに記載されている圧力センサや加速度センサが使用されている。
(Embodiment 9)
The overall configuration of the vehicle air suspension control device will be described with reference to FIGS. 60 and 61. Here, FIG. 60 shows a block diagram of the air
このICチップ902に形成されているMEMSは、前述した実施の形態で説明したように、標準的なCMOSプロセスで空洞部の形成および封止が可能となるので、従来のMEMSを製造する場合のように、歩留まり低下および製造コスト増大の主要因であった特殊な空洞部の形成および封止(MEMS特有の実装工程)が不要となっている。このため、本実施の形態9では、ICチップ902の歩留まりの向上、製造(実装)コストの低減、または信頼性の向上を図ることができる等の利点がある。また、MEMSの構造体をLSIの配線と同時に形成できるので、LSIとの集積化が容易となるという利点がある。
Since the MEMS formed on the
アナログデジタル変換回路908、909、910は、圧力センサ回路905、温度センサ回路906、加速度センサ回路907から出力されるアナログ電圧値をデジタル電圧値に変換する回路である。補正演算回路911は、圧力センサ回路905、加速度センサ回路907の理想出力特性からのずれを補正するための回路であり、その補正値の係数は記憶回路912にあらかじめ登録している。
The analog-
図61は、自動車の車両側面から見た図であり、エアサスペンションを搭載した自動車の構成を示したものである。図61において、自動車は、車体913、前後左右に配されたタイヤ914a、914b(ここでは片側側面のみを示す)、エアサスペンション制御装置901(901a、901b)が内部に搭載され、タイヤ914a、914bに車体913を懸架する空気ばねを用いたエアサスペンション915a、915bを有している。
FIG. 61 is a view as seen from the side of the vehicle, and shows the configuration of the vehicle equipped with an air suspension. In FIG. 61, an automobile has a
エアサスペンション制御装置901は上記のように構成されており、以下にその動作の概略について説明する。
The air
まず、ICチップ902に形成されている圧力センサ回路905および加速度センサ回路907により、車両に加わる圧力および加速度を検出する。さらに、外部から車速などを検出する。そして、圧力、加速度および車速などの情報をエアサスペンション制御装置901が取得すると、車両が上下の振動を起こさないように、制御信号をアクチュエータ904に出力する。すると、エアサスペンション915a、915bのそれぞれのばね定数や減衰定数が制御されて車両の上下振動が抑制される。
First, the pressure and acceleration applied to the vehicle are detected by the
本実施の形態9によれば、標準的なCMOSプロセスを用いて形成したMEMSを使用してICチップ902を形成しているので、ICチップ902の歩留まり向上または信頼性の向上を図ることができる。したがって、車両のエアサスペンション制御装置の信頼性向上を図ることができる。
According to the ninth embodiment, since the
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
前記実施の形態で述べたMEMS構造体は、金属膜、シリコン−ゲルマニウム膜、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、単結晶シリコン膜、ポリシリコン膜、非晶質シリコン膜あるいはポリイミド膜のいずれかを含むように形成してもよい。 The MEMS structure described in the above embodiment includes any one of a metal film, a silicon-germanium film, a silicon nitride film, a silicon oxide film, a single crystal silicon film, a polysilicon film, an amorphous silicon film, or a polyimide film. You may form as follows.
本発明による集積化MEMSは、例えば自動車、携帯用機器、アミューズメント機器、無線機器、情報家電、コンピューター等に利用することができる。 The integrated MEMS according to the present invention can be used in, for example, automobiles, portable devices, amusement devices, wireless devices, information appliances, computers, and the like.
101 シリコン基板
102 信号処理用トランジスタ
103 コンタクトホール
104 第1層配線
105 エッチングストッパ膜
106 層間絶縁膜
107 ビアホール
108 第4層配線
109 可動錘
110 弾性梁
111 固定梁
112 層間絶縁膜
113 微細孔
114 空洞カバー膜
115 空洞部
116 絶縁膜
117 加速度センサ
118 CV変換回路
119 オペアンプ
120 AD変換回路
121 マイクロプロセッサ
122 不揮発性メモリ
123 出力用インターフェース回路
130 1軸加速度センサ
131 圧力センサ
132 下部電極
133 上部電極
134 空洞部
135 微細孔
201 2軸加速度センサ
202 可動錘
203 弾性梁
204 固定容量プレート
205 パッド層
206 LSI
207 空洞部
208 エッチングストッパ膜
209 空洞カバー膜
210 層間絶縁膜
211 可動容量プレート
212 微細孔
220 圧力センサ
221 上部電極接続用配線
222 下部電極接続用配線
223 層間絶縁膜
224 下部電極
225 絶縁膜パターン
226 上部電極
227 空洞部
300 MEMSスイッチ
301 中央可動部
301a 接点部
301b 接点部
302 入力線
302a 接点部
303 出力線
303a 接点部
304 空洞部
305 層間絶縁膜
306 固定部
307 ばね部
308 可動部
309 変位用櫛歯アクチュエータ
309a 電極
309b 電極
310 固定部
311 ばね部
312 可動部
313 変位用櫛歯アクチュエータ
313a 電極
313b 電極
314 固定部
315 ばね部
316 可動部
317 変位用櫛歯アクチュエータ
317a 電極
317b 電極
320 構造体
321 層間絶縁膜
322 空洞カバー膜
323 微細孔
324 大開口孔
325 空洞部
326 絶縁膜
327 絶縁膜
401 シリコン基板
402 信号処理用トランジスタ
403 コンタクトホール
404 第1層配線
405 可動錘
406 弾性梁
407 下部電極
408 微細孔
409 層間絶縁膜
410 第1層ビア
411 開口部
412 第2層配線
412a 可動容量プレート
412b 固定容量プレート
413 層間絶縁膜
414 第2層ビア
415 開口部
416 第3層配線
417 層間絶縁膜
418 微細孔
419 空洞カバー膜
420 空洞部
421 絶縁膜
425 厚膜レジスト
426 開口部
427 ニッケル膜
428 ポリイミド膜
429 空洞カバー膜
430 微細孔
431 空洞部
432 絶縁膜
501 シリコン基板
502 信号処理用トランジスタ
503 コンタクトホール
504 第1層配線
505 可動錘
506 犠牲層
507 層間絶縁膜
508 第1層ビア
509 開口部
510 第2層配線
511 犠牲層
512 配線
513 層間絶縁膜
514 第2層ビア
515 開口部
516 ビア部
517 第3層配線
518 犠牲層
519 配線
520 層間絶縁膜
521 第3層ビア
522 開口部
523 第4層配線
524 犠牲層
525 微細孔
526 層間絶縁膜
527 空洞部
528 絶縁膜
530 空洞部
531 枠状構造体
532 梁
533 層間絶縁膜
534 可動錘
535 梁
536 第1駆動電極
537 第2駆動電極
538 発振器
539 第1検出電極
540 第2検出電極
541 第3検出電極
542 静電容量検出回路
543 静電容量検出回路
601 SOI基板
602 SOI層
603 埋め込み絶縁膜
604 開口部
605 CVD酸化膜
606 トランジスタ
607 コンタクトホール
608 フィールド酸化膜
609 第1層配線
610 検出電極
611 第2層配線
612 層間絶縁膜
613 微細孔
614 空洞カバー膜
615 振動体
616 空洞部
617 絶縁膜
620 枠状構造体
621 錘
622 第1駆動電極
623 第2駆動電極
624 梁
625 層間絶縁膜
626 梁
630 開口部
631 第1層配線
632 多層配線
633 層間絶縁膜
634 第3層配線
635 検出電極
636 層間絶縁膜
637 微細孔
638 空洞カバー膜
639 空洞部
640 絶縁膜
701 車両
702a〜702d タイヤ
703 タイヤ圧測定モジュール
703a〜703d タイヤ圧測定モジュール
704 車両搭載機
705 ICチップ
706 電池
707 圧力センサ回路
708 温度センサ回路
709 加速度センサ回路
710〜712 アナログデジタル変換回路
713 計算処理制御部
714 記憶回路
715 送信回路
716 受信回路
717、718 アンテナ
801 車両
802a〜802d タイヤ
803 制動力制御アクチュエータ
803a〜803d 制動力制御アクチュエータ
804 横滑り防止制御回路
805 ICチップ
806 制動力演算回路
807 加速度センサ回路
808 加速度センサ回路
809 角速度センサ回路
810〜812 アナログデジタル変換回路
813 補正演算回路
814 記憶回路
901 エアサスペンション制御装置
901a〜901d エアサスペンション制御装置
902 ICチップ
903 ばね定数・減衰定数演算回路
904 アクチュエータ
905 圧力センサ回路
906 温度センサ回路
907 加速度センサ回路
908〜910 アナログデジタル変換回路
911 補正演算回路
912 記憶回路
913 車体
914a、914b タイヤ
915a、915b エアサスペンション
DESCRIPTION OF
207 Cavity 208 Etching stopper film 209 Cavity cover film 210 Interlayer insulation film 211 Movable capacitance plate 212 Micro hole 220 Pressure sensor 221 Upper electrode connection wiring 222 Lower electrode connection wiring 223 Interlayer insulation film 224 Lower electrode 225 Insulation film pattern 226 Upper part Electrode 227 Cavity part 300 MEMS switch 301 Central movable part 301a Contact part 301b Contact part 302 Input line 302a Contact part 303 Output line 303a Contact part 304 Cavity part 305 Interlayer insulating film 306 Fixed part 307 Spring part 308 Movable part 309 Displacement comb tooth Actuator 309a Electrode 309b Electrode 310 Fixed part 311 Spring part 312 Movable part 313 Displacement comb actuator 313a Electrode 313b Electrode 314 Fixed part 315 Spring part 316 Movable part 317 Displacement comb-tooth actuator 317a Electrode 317b Electrode 320 Structure 321 Interlayer insulating film 322 Cavity cover film 323 Micro hole 324 Large aperture 325 Cavity 326 Insulating film 327 Insulating film 401 Silicon substrate 402 Signal processing transistor 403 Contact hole 404 First Layer wiring 405 Movable weight 406 Elastic beam 407 Lower electrode 408 Micro hole 409 Interlayer insulating film 410 First layer via 411 Opening 412 Second layer wiring 412a Movable capacitor plate 412b Fixed capacitor plate 413 Interlayer insulating film 414 Second layer via 415 Opening Portion 416 Third layer wiring 417 Interlayer insulating film 418 Fine hole 419 Cavity cover film 420 Cavity 421 Insulating film 425 Thick film resist 426 Opening 427 Nickel film 428 Polyimide film 429 Cavity cover film 43 Microhole 431 Cavity 432 Insulating film 501 Silicon substrate 502 Signal processing transistor 503 Contact hole 504 First layer wiring 505 Movable weight 506 Sacrificial layer 507 Interlayer insulating film 508 First layer via 509 Opening 510 Second layer wiring 511 Sacrificing layer 512 wiring 513 interlayer insulating film 514 second layer via 515 opening 516 via portion 517 third layer wiring 518 sacrificial layer 519 wiring 520 interlayer insulating film 521 third layer via 522 opening 523 fourth layer wiring 524 sacrificing layer 525 microhole 526 Interlayer insulating film 527 Cavity part 528 Insulating film 530 Cavity part 531 Frame-like structure 532 Beam 533 Interlayer insulation film 534 Movable weight 535 Beam 536 First drive electrode 537 Second drive electrode 538 Oscillator 539 First detection electrode 540 Second detection Electrode 541 Third detection Electrode 542 Capacitance detection circuit 543 Capacitance detection circuit 601 SOI substrate 602 SOI layer 603 buried insulating film 604 opening 605 CVD oxide film 606 transistor 607 contact hole 608 field oxide film 609 first layer wiring 610 detection electrode 611 second Layer wiring 612 Interlayer insulating film 613 Micro hole 614 Cavity cover film 615 Vibrating body 616 Cavity 617 Insulating film 620 Frame structure 621 Weight 622 First drive electrode 623 Second drive electrode 624 Beam 625 Interlayer insulation film 626 Beam 630 Opening 631 First layer wiring 632 Multilayer wiring 633 Interlayer insulating film 634 Third layer wiring 635 Detection electrode 636 Interlayer insulating film 637 Micro hole 638 Cavity cover film 639 Cavity 640 Insulating film 701 Vehicle 702a to 702d Tire 703 Tire Measurement modules 703a to 703d Tire pressure measurement module 704 Vehicle-mounted machine 705 IC chip 706 Battery 707 Pressure sensor circuit 708 Temperature sensor circuit 709 Acceleration sensor circuit 710-712 Analog-digital conversion circuit 713 Calculation processing control unit 714 Storage circuit 715 Transmission circuit 716 Reception Circuit 717, 718 Antenna 801 Vehicle 802a to 802d Tire 803 Braking force control actuator 803a to 803d Braking force control actuator 804 Side slip prevention control circuit 805 IC chip 806 Braking force calculation circuit 807 Acceleration sensor circuit 808 Acceleration sensor circuit 809 Angular velocity sensor circuit 810 812 Analog-digital conversion circuit 813 Correction arithmetic circuit 814 Memory circuit 901 Air suspension control device 901a-90 d Air suspension control device 902 IC chip 903 Spring constant / damping constant arithmetic circuit 904 Actuator 905 Pressure sensor circuit 906 Temperature sensor circuit 907 Acceleration sensor circuit 908-910 Analog-digital conversion circuit 911 Correction arithmetic circuit 912 Storage circuit 913 Car body 914a, 914b Tire 915a, 915b Air suspension
Claims (11)
前記微小機械は、
(a)前記半導体基板上に形成された層間絶縁膜と、
(b)前記層間絶縁膜の一部を除去することにより形成された空洞部と、
(c)前記空洞部の内部に形成された構造体と、
(d)前記空洞部を封止する封止部とを備え、
前記構造体は、
(c1)前記空洞部の周囲にある前記層間絶縁膜に固定された固定梁と、
(c2)前記固定梁の一端と接続された弾性梁と、
(c3)前記弾性梁の一端と接続された可動錘とを有し、
前記固定梁の幅は、前記弾性梁の幅よりも太く、
前記封止部は、絶縁膜で孔が塞がれた空洞カバー膜から構成されていることを特徴とする集積化マイクロエレクトロメカニカルシステム。 An integrated microelectromechanical system in which a micromachine and a semiconductor integrated circuit device are formed on a semiconductor substrate,
The micromachine is
(A) an interlayer insulating film formed on the semiconductor substrate;
(B) a cavity formed by removing a part of the interlayer insulating film;
(C) a structure formed inside the cavity,
(D) a sealing portion that seals the hollow portion;
The structure is
(C1) a fixed beam fixed to the interlayer insulating film around the cavity,
(C2) an elastic beam connected to one end of the fixed beam;
(C3) a movable weight connected to one end of the elastic beam;
The width of the fixed beam is larger than the width of the elastic beam,
The integrated microelectromechanical system , wherein the sealing portion is formed of a cavity cover film in which a hole is closed with an insulating film .
前記可動錘は、前記加速度センサあるいは前記ジャイロに使用する錘であることを特徴とする請求項1記載の集積化マイクロエレクトロメカニカルシステム。 The micromachine is an acceleration sensor or a gyro,
The movable weight is integrated micro electromechanical system according to claim 1, characterized in that the weight to be used for the acceleration sensor or the gyro.
前記圧力センサの上部電極と、前記加速度センサの封止膜とは、同一層で形成されていることを特徴とする請求項1記載の集積化マイクロエレクトロメカニカルシステム。2. The integrated micro electro mechanical system according to claim 1, wherein the upper electrode of the pressure sensor and the sealing film of the acceleration sensor are formed of the same layer.
前記第1の孔および前記第2の孔のいずれもが絶縁膜で封止されていることを特徴とする請求項1記載の集積化マイクロエレクトロメカニカルシステム。2. The integrated micro electro mechanical system according to claim 1, wherein both the first hole and the second hole are sealed with an insulating film.
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